JP4960539B2 - ゼロ・ボイルオフ冷凍剤冷却式再凝縮形超伝導磁石集成体 - 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（ＭＲＩ）に適したヘリウム冷却式超伝導磁石集成体の圧力制御に関する。更に具体的に言えば、本発明は発生したヘリウム・ガスを液体ヘリウムに再凝縮させるための再凝縮器を利用したシステムに対する改良し簡単化したヘリウム浴圧力制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、超伝導磁石は極低温の環境内に配置することによって、例えば、クライオスタット（ｃｒｙｏｓｔａｔ）すなわち液体ヘリウムのような冷凍剤（ｃｒｙｏｇｅｎ）を入れた圧力容器の中に封入することによって、超伝導にすることができる。この極低温は、最初は（比較的短い期間の間）コイルに接続した電源が遮断された後も低温の磁石コイルに電気抵抗が存在しないために、磁石コイルを通る電流の流れを維持し、こうして強い磁界を維持する。超伝導磁石はＭＲＩの分野で広く用いられている。
【０００３】
世界中のＭＲＩ設備に液体ヘリウムの定常的な供給源を用意することは困難であると共にコスト高であることが判ったので、沸騰する液体ヘリウムから生じたヘリウム・ガスを再凝縮させることなどにより、この沸騰する液体ヘリウムを補給する必要性を最小限に抑えることを目指して、かなりの研究及び開発の努力が払われている。更に、液体ヘリウムの必要な予備供給源を約４°Ｋ（すなわち絶対零度に近い）極低温で貯蔵する際の困難並びにこれに関連するが、この貯蔵槽内の液体ヘリウムの一部分を、定期的にＭＲＩ超伝導磁石内の液体ヘリウム供給源に移す問題を避けることが望ましい。
【０００４】
典型的なＭＲＩ磁石では、主超伝導磁石コイルはその軸線に沿った中心領域にイメージング用の中孔（ボア）を画成する円筒形の圧力容器内に封入される。正確なイメージングのためには、イメージング用の中孔の中の磁界は非常に均質であると共に時間的に一定でなければならない。
ヘリウム・ガスを液体ヘリウムに再凝縮させる超伝導磁石は、ゼロ・ボイルオフ（ＺＢＯ）磁石と呼ばれる場合が多い。このようなＺＢＯ磁石では、ヘリウム容器内の圧力は、クライオポンビング（ｃｒｙｏｐｕｍｐｉｎｇ）を防止するために、外部の大気圧より高い圧力に保たなければならない。ヘリウム容器の内部圧力が周囲の大気圧力より低くなる時にクライオポンピングが起こり、汚染物質がヘリウム容器内に吸込まれて、磁石貫入部を閉塞し、これがＭＲＩの性能に悪影響を与える。低温再凝縮器の冷却容量が周囲から、すなわちクライオスタットからの熱負荷を越える場合、ヘリウム容器の圧力が大気圧より低くなることがある。クライオポンピングを避ける典型的な電気的な圧力制御装置は、圧力センサ、制御装置、配線、変換器及び制御応答を必要とし、この制御応答は、制御装置によって調節される内部ヒータであってもよいし、あるいはヘリウム容器内の圧力変動に応答するクライオクーラ速度制御装置であってもよい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ヘリウム圧力容器内のヘリウム・ガス圧力の動作上の変動がヘリウム容器及び超伝導磁石のコイル・ワイヤを撓ませることがあり、これによりコイルを通る電流の流れの空間的な分布及び磁界の均質性が、ＭＲＩイメージング装置によって作られる画像の品質を劣化させるくらいに変わることが判った。この問題は、軽量ＭＲＩ装置内に一層軽量の圧力容器が使われる時、最も著しい。
【０００６】
圧力センサに基づく圧力制御装置は、１個の圧力センサを利用するものであっても、あるいは圧力差を感知するために１対の別々の圧力センサを利用するものであっても、ヘリウム圧力容器内のヘリウム・ガスに露出する内部圧力センサを必要とし、外部の圧力制御装置からポート又は管を介してヘリウム容器内部へアクセスすることを必要とする。これは、望ましくない熱をヘリウム圧力容器内に導入する通路を作り、これによって起こるタコニス振動（Ｔａｃｏｎｉｓ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）又はポンピング動作が、ヘリウム容器の内部に熱を送り込んで、ヘリウムの沸騰を強める。また圧力センサの管の中に霜ができて、その動作に影響することもある。更に、圧力センサは他の種類のセンサよりも高価である。
【０００７】
その結果、ヘリウム容器内の圧力変動に応答する圧力センサは、ＭＲＩヘリウム圧力制御装置ですっかり満足できるものではないことが判った。
従って、上に述べた問題を避けながらも、圧力変動に正確に応答すると共に、それを補正し、ヘリウム容器内に予じめ選ばれた圧力を保つ、ヘリウム圧力容器に対する改良された圧力制御装置の必要がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の１形式では、ヘリウム・ガス再凝縮器を利用するゼロ・ボイルオフ・ヘリウム冷却式超伝導磁石が提供され、これは、ヘリウム圧力容器内に予じめ選ばれた圧力を保つと共に、圧力容器の外側に配置された再凝縮器の所での対応する温度変動を感知する温度センサによって検出されたヘリウム容器内の圧力変動に応答して、再凝縮器温度制御装置を通じて、ヘリウム容器内の圧力を制御する正確な制御信号を発生する圧力制御装置を含む。
【０００９】
【発明の実施の形態】
最初に図１について説明すると、ＭＲＩ磁石装置１０がヘリウム圧力容器４を含み、これは液体状態のヘリウムのような冷凍剤を含んでいて、真空容器２によって取囲まれている。ヘリウム容器と真空容器との間には熱隔離用放射遮蔽体６が介在配置されている。クライオクーラ１２（これはギフォード・マホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ−Ｍａｈｏｎ）クライオクーラであってよい）が真空容器２の中をスリーブ８に入って伸びていて、クライオクーラの低温端を、真空容器２内の真空を壊さずにスリーブ内で選択的に位置決めすることができるようになっており、クライオクーラのモータ９によって発生された熱が真空容器の外側になるようにしてある。クライオクーラの外側スリーブ・リング１４が真空容器２の外側を伸び、カラー１９及びスリーブ・フランジ１５が、クライオクーラの外側スリーブ１３を真空容器２に固定することができるようにしている。クライオクーラ１２は、整合用移行フランジ２１を用いてクライオクーラ・スリーブ集成体（８、１８、２３）の中に取付けられ、ボルト８２及び関連したワッシャを用いて固定される。
【００１０】
クライオクーラ１２の第１段ヒート・ステーション１６が銅の第１段熱スリーブ又はヒートシンク１８と接触し、このヒートシンクが銅の編紐の可撓性熱継手２２及び２４並びに隔離用放射遮蔽体６上の銅の熱ブロック２６及び２８を通じて放射遮蔽体を約６０°Ｋの温度まで冷却して、ヘリウム容器４と真空器２との間の熱隔離を行うように熱接続されている。可撓性継手２２及び２４は、クライオクーラ１２と放射遮蔽体６との間の機械的な隔離又は振動の隔離も行う。
【００１１】
クライオクーラ１２の第２段ヒート・ステーション３０の底面がインジウム・ガスケット２９と接触して、このインジウム・ガスケットの反対側に配置されたヒート・シンク１１に４°Ｋの温度を効率よく持たせる。インジウム・ガスケット２９は、クライオクーラのヒート・ステーション３０とヒートシンク１１との間の熱接触を良好にする。
【００１２】
銅のような熱伝導度の高い材料で作られたヘリウム再凝縮室３８が、ヒートシンク１１の下側に伸びていて、ヒートシンク１１に熱接続されている。このヘリウム再凝縮室は略平行な複数個の伝熱板又は面４２を含み、これらの伝熱板又は面４２はヒートシンク１１と熱接触していて、それらの板の面の間に、ヘリウム圧力容器４からのヘリウム・ガスを通すための通路を形成する。
【００１３】
ＭＲＩ磁石装置１０を極低温にする時、液体ヘリウムの沸騰を通じて、液体ヘリウム供給源４６の液体ヘリウム表面液位４４の上方にヘリウム・ガス４０が形成される。ヘリウム・ガス４０はガス通路５２を通ってヘリウム容器４の壁５３を通過し、次いでヘリウム・ガス通路５０を通ってヘリウム再凝縮室３８の上側部分４１の内部に入る。再凝縮器３９内にある伝熱板４２はクライオクーラ１２の第２段３０によって４°Ｋまで冷却され、これにより伝熱板の間を通過するヘリウム・ガス４０が液体ヘリウムに再凝縮されてヘリウム再凝縮室３８の底部領域４８に集まるようになっている。その後、再凝縮した液体ヘリウムは重力により、ヘリウム戻り配管５４及びヘリウムの容器４内のヘリウム通路５８を通って液体ヘリウム供給源４６へ流れる。ヘリウム再凝縮室３８は、ヘリウム容器４内にある液体ヘリウム通路５８より一層高い所に配置されていることに注意されたい。
【００１４】
その結果、ＭＲＩ磁石装置１０の動作中、液体ヘリウム４６は超伝導磁石コイル集成体（全体を６０で示す）を、ＭＲＩの分野で周知のように、全体的に矢印６２で示す冷却により、超伝導温度まで冷却し、その結果、液体ヘリウム４６は沸騰してヘリウム表面液位４４の上方にヘリウム・ガス４０を生じる。然し、ヘリウム・ガス４０は、多くのＭＲＩ装置でそうであるように、周囲の大気３７に逃がされる代わりに、ヘリウム圧力容器４の壁５３にあるガス通路５２及びヘリウム・ガス通路５０を通って、ヘリウム再凝縮室３８の内部へ流れ、次いでクライオクーラによって冷却された伝熱板４２の間を通過して液体ヘリウムに再凝縮される。再凝縮された液体ヘリウムがヘリウム再凝縮室４８の底部領域４８に滴たり落ち、そこに集まって、重力により、ヘリウム戻り配管５４及びヘリウム容器４内の液体ヘリウム通路５８を通って液体ヘリウム供給源４６へ流れ、こうして再凝縮したヘリウム・ガスを液体ヘリウムとして液体ヘリウム供給源に戻す。
【００１５】
クライオクーラ１２の第１段１６によって放射遮蔽体６を冷却するのに加えて、放射遮蔽体６と真空容器２との間の空間内に超絶縁部３４を設けることにより、ヘリウム容器４を真空容器２から更に熱隔離する。超絶縁部３５が、再凝縮室３８とヘリウム容器４の間にも設けられ、クライオクーラ１２の使用中にクライオクーラ・スリーブ１３が温められる時に再凝縮室３８を熱隔離する。超絶縁部３４及び３５は、超伝導磁石の業界で使われているアルミ化マイラー多層絶縁部である。
【００１６】
図２に一番良く示されるように、温度センサ７０が、再凝縮器３９の温度を感知するために第２段ヒートシンク１１に接近して再凝縮器３９の表面の上に配置される。温度センサ７０は、サイアンティフィック・インスツルメンツ・インコーポレーテッド社からそのモデルＲ０６００として販売されている酸化ルテニウム極低温センサであってよい。温度センサ７０の出力信号７１がコネクタ５６を介してコンピュータ制御装置又は制御装置７４（サイアンティフィック・インスツルメンツのモデル９６５０制御装置）に接続されて、制御装置７４内の可変電圧源７６に制御信号７５を供給させて、これにより再凝縮器３９の室３８の上に配置された電気ストリップ・ヒータ８０を流れる電流を制御する。温度センサ７０及びヒータ８０は、再凝縮室３８上で、大体直径方向に向い合った位置に配置され、望ましい相互作用時定数を持つようにする。すなわち、温度センサ７０とヒータ８０を空間的に隔てることにより、温度センサが再凝縮器３９の温度を感知するのであって、作動された時に再凝縮器より高い温度になるヒータの温度を感知するのではないという点で、温度制御作用が安定な応答になるように保証する。再凝縮器温度センサ７０はヒート・ステーション又はヒートシンク３０に接近して又は隣接して再凝縮器の室２８上に配置されるものとして示されているが、これは直接的にヒート・ステーションの上に配置することができる。
【００１７】
再凝縮器３９の温度及びヘリウム容器４の圧力の測定値は、液体ヘリウムである冷凍剤４６の温度−圧力飽和曲線によって正確に相関することが判った。ヘリウム圧力容器４内のこの他に考えられる温度測定箇所では、熱的な層状化、変化するヘリウムの液位及びヘリウム圧力容器内での熱の流れのために、この飽和曲線に従わない。このため、ヘリウム容器４の外側の再凝縮器３９の温度は、ヘリウム容器の内部圧力に応答して、該圧力を正確に調整するための制御信号を生じさせる予想外の離れた温度地点になることが判った。
【００１８】
更に、温度センサ７０は、ヘリウム容器４の内部に接続される圧力センサよりも値段が安く且つアクセスが一層容易である。更に、この再凝縮器温度感知制御は、超伝導磁石１０の動作中に起こるヘリウム液位４４の違いに無関係である。
再凝縮器３９に対するクライオクーラ１２の適正な調節を助けるために、温度センサ７０の存在及び場所を活用する第２の温度センサ８４を追加することができる。再凝縮器３９を適正に冷却するためには、熱損失を最小にするように有効な熱接触及び熱接続を行うための最適な又は適正な圧力がインジウム・ガスケット２９に加えられることが重要である。クライオクーラの底部と再凝縮器３９との間にサンドウィッチ状に挟むことによってガスケット２９に加わる圧力又は力は、ボルト８２を選択的に締付けることによって調節される。インジウム・ガスケット１９の両面間に温度降下があれば、それは制御装置７４の計器８６によって表示する事ができる。温度センサ８４は、インジウム・ガスケット２９のクライオクーラ側に配置されて、温度に応答する第２の信号８８を発生する。従って、温度差があれば、それが温度センサ７０及び８４によって検出されて計器８６によって表示されるので、良好な熱接触を保証するのに十分な程度にクライオクーラ１２をインジウム・ガスケット２９に圧接するようにボルト８２を選択的に締付けて、インジウム・ガスケットを損傷する恐れのあるような過度の締付けを避けることができる。
【００１９】
本発明のある好ましい実施例について説明したが、構造、部品の配置と組合わせ、並びに材料の種類については、色々な変更を本発明の範囲を逸脱せずに行うことが出来ることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサ部分を取入れた簡単化した形のＭＲＩ超伝導磁石の一部分の断面図である。
【図２】図１の拡大図であって、図１に示したセンサに応答する圧力制御装置の細部を示す。
【符号の説明】
２ 真空容器
４ ヘリウム圧力容器
１０ ＭＲＩ磁石装置
１１ ヒート・シンク
１２ クライオクーラ
１６ 第１段ヒート・ステーション
２９ インジウム・ガスケット
３０ 第２段ヒート・ステーション
３７ 大気
３８ ヘリウム再凝縮室
３９ 再凝縮器
４０ ヘリウム・ガス
４６ 液体ヘリウム
５４ ヘリウム戻り配管
５８ 液体ヘリウム通路
６０ 超伝導磁石コイル集成体
７０ 温度センサ
７４ 制御装置
８０ 電気ストリップ・ヒータ

Claims (9)

1. 磁気共鳴イメージングに適した超伝導磁石コイル（６０）を含むゼロ・ボイルオフ冷凍剤冷却式再凝縮形超伝導磁石集成体（１０）において、
   超伝導動作のために前記磁石コイルを極低温にする液体冷凍剤（４６）を収容する圧力容器（４）と、
   前記圧力容器を取囲んでいて、前記圧力容器から隔たる真空容器（２）と、
   クライオクーラ（１２）と、
   前記圧力容器と前記真空容器との間の空間に配置され、熱インターフェース（１１、２９、３０）によって前記クライオクーラに熱接続されて、前記圧力容器から発生する冷凍剤ガスを液体に戻すように再凝縮させる再凝縮器（３９）と、
   再凝縮した液体冷凍剤を前記圧力容器に戻す手段（５４、５８）と、
   前記圧力容器内の圧力を前記圧力容器の外側の圧力より高くなるように制御する圧力制御手段（７４）と、
   前記圧力容器の外側に配置され、前記熱インターフェース（１１、２９、３０）の近くの領域内における温度変化を感知する温度センサ（７０）とを有し、
   前記圧力制御手段が、前記再凝縮器と熱接触している電気ヒータ（８０）を有し、
   前記電気ヒータ（８０）が、前記温度センサ（７０）に応答して前記再凝縮器の温度を制御することにより、前記圧力容器内の圧力が前記圧力容器の外側の圧力より低くならないように、前記圧力容器内の圧力を制御すること、を特徴とするゼロ・ボイルオフ冷凍剤冷却再凝縮形超伝導磁石集成体。
2. 前記温度センサ及び前記電気ヒータが、該ヒータの温度に応答する制御作用を避けるぐらいに互いに十分に隔たっている請求項１記載のゼロ・ボイルオフ冷凍剤冷却式再凝縮形超伝導磁石集成体。
3. 前記隔たりが前記熱インターフェースの表面に沿って約１８０°である請求項２記載のゼロ・ボイルオフ冷凍剤冷却式再凝縮形超伝導磁石集成体。
4. 前記熱インターフェースがヒートシンク（１１）を含み、前記温度センサが該ヒートシンクの上に配置されている請求項１記載のゼロ・ボイルオフ冷凍剤冷却式再凝縮形超伝導磁石集成体。
5. 前記熱インターフェースがヒートシンク（１１）を含み、前記温度センサが該ヒートシンクに接近して前記再凝縮器上に配置されている請求項１記載のゼロ・ボイルオフ冷凍剤冷却式再凝縮形超伝導磁石集成体。
6. 前記温度センサが酸化ルテニウム極低温センサである請求項２記載のゼロ・ボイルオフ冷凍剤冷却式再凝縮形超伝導磁石集成体。
7. 前記クライオクーラと前記再凝縮器との間に熱ガスケット（２９）が設けられて熱インターフェースを構成し、該熱インターフェースに加わる圧力を選択的に調節する調節手段（８２）を設け、該調節手段は前記熱インターフェースの前後の温度降下を表示する表示手段（８６）を備えている請求項２記載のゼロ・ボイルオフ冷凍剤冷却式再凝縮形超伝導磁石集成体。
8. 前記熱ガスケット（２９）がインジウム・ガスケットであり、更に第２の温度センサ（８４）が前記熱インターフェースに隣接して前記クライオクーラ上に配置されており、前記表示手段が、前記の２つの温度センサによって感知された前記熱インターフェースの前後の温度差を利用する請求項７記載のゼロ・ボイルオフ冷凍剤冷却式再凝縮形超伝導磁石集成体。
9. 前記温度センサ（７０）によって感知される前記再凝縮器の温度及び前記圧力容器（４）の圧力の測定値が、前記液体冷凍剤（４６）の温度−圧力飽和曲線によって相関する、請求項１乃至７のいずれかに記載のゼロ・ボイルオフ冷凍剤冷却式再凝縮形超伝導磁石集成体。

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