JP5025164B2 - 超伝導マグネットを熱シールドするための装置 - Google Patents

Description

本発明は熱シールドに関し、さらに詳細には、例えば磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムの超伝導マグネットと共に使用するための熱シールドに関する。

ＭＲＩスキャンによれば軟部組織の詳細画像が得られるためＭＲＩシステムは医用撮像用途によく使用されている。ＭＲＩシステムは、被検体内の選択した双極子を励起させ該双極子が放出する磁気共鳴信号を受信することによって画像を作成している。被検体内の選択した双極子に励起を生じさせるためには、強力で均一な磁場が必要となる。この強力で均一な磁場は超伝導マグネット・コイルによって発生させることがある。

超伝導マグネット・コイルは極低温下で動作するため、堅牢な冷却システムを必要とする。冷却システムは、極低温を達成するために冷媒または冷却剤（例えば、液体ヘリウム）を必要とするのが典型的である。しかし、冷媒は豊富ではなく、またＭＲＩシステムのクライオスタット部分に対してかなりのコスト増をもたらすことが多い。したがって、可能な最大限度まで超伝導マグネット・コイルを熱的に分離させ冷却要件を最小限にすることが望ましい。

超伝導マグネット・コイルを熱的に分離させるためには、超伝導マグネット・コイルの周りに熱シールドを配置させる。熱シールドにはアルミニウム合金が利用されるのが典型的である。良好な強度及び熱伝導率特性を維持しながら、低密度及び軽量を含む特性を得るためにはアルミニウムは有利であると考えられる。しかし、アルミニウムの欠点の１つは、アルミニウムの導電率が高いことである。導電率が高いと、マグネットが通常状態すなわちクエンチ状態になったときに熱シールドに対して大きな機械的応力を生じさせる。さらに、アルミニウム製の熱シールドは磁場の不安定性による影響を受け、これがＭＲＩシステムによって得られる画像の品質を低下させることがある。

傾斜誘導及び振動誘導による磁場の不安定性という２種類の磁場不安定性によるアルミニウム製熱シールドへの悪影響は、画質を低下させるうず電流が熱シールド内に発生することによっている。振動誘導の磁場不安定性は冷却エンジン（コールドヘッド）、環境性（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ）励起及び傾斜パルスからの振動に起因する。こうした振動は、画質を低下させると共に回避することが複雑かつ高出費となるうず電流を発生させる。傾斜の磁場不安定性は傾斜パルスの間に生成される磁場によるものであり画像アーチファクトを生じさせることがある。
米国特許第６７８３０５９号

したがって、既存の技術に対して改良させた熱シールドを設計することが望ましい。

本発明の例示的な実施形態は超伝導マグネット用熱シールドを含む。この超伝導マグネット用熱シールドは環状形状を有するシールド本体を含む。このシールド本体は約７０Ｋにおいて約１０００Ｗ／ｍ・Ｋを超える熱伝導率を有する材料を含む。

本発明の別の例示的実施形態は、超伝導マグネット・コイルをシールドし冷媒によって冷却するためのシールド・システムを含む。このシールド・システムは、冷媒容器、熱シールド及び真空容器を含む。冷媒容器は冷媒を包含していると共に、超伝導マグネット・コイルの近くに配置させて超伝導マグネット・コイルを囲繞している。熱シールドは約７０Ｋにおいて約１０００Ｗ／ｍ・Ｋを超える熱伝導率を有する材料を含んだシールド本体を含む。この熱シールドは冷媒容器の近くに配置させて冷媒容器を囲繞している。真空容器は熱シールドの近くに配置させて熱シールドを囲繞している。

本発明のさらに別の例示的実施形態は超伝導マグネット用熱シールドを含む。この熱シールドは環状形状を有するシールド本体とクラッディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）とを含む。クラッディングは約７０Ｋにおいて約１０００Ｗ／ｍ・Ｋを超える熱伝導率を有する材料を含む。クラッディングはシールド本体の表面に配置させている。

本発明に関する上述の目的、特徴及び利点、並びに別の目的、特徴及び利点は、同じ要素を同じ参照番号によって示している添付の図面と組み合わせて以下の説明を読むことによって明らかとなろう。

ここで、幾つかの図において同じ要素に同じ番号を付けた図面を参照することにする。

図１は例示的な一実施形態によるシールド・システムの断面図である。超伝導マグネット・コイル１２用のシールド・システム１０は、ヘリウム容器１４（すなわち、冷媒容器）と、低温熱シールド１６と、高温熱シールド１８と、真空容器２０と、を含む。シールド・システム１０は、撮像空間の周縁に沿って環状形状を形成するように撮像空間（図示せず）の周りに広がっている。超伝導マグネット・コイル１２、ヘリウム容器１４、低温熱シールド１６、高温熱シールド１８及び真空容器２０のそれぞれも同様に、撮像空間の周縁に沿って環状形状をなして広がっている。

超伝導マグネット・コイル１２は当技術分野で周知の適当な任意の超伝導コイルとすることができる。ヘリウム容器１４は超伝導マグネット・コイル１２の近くに配置させて超伝導マグネット・コイル１２を囲繞している。ヘリウム容器１４は極低温冷却剤（例えば、液体ヘリウム）で満たされている。この極低温冷却剤は、超伝導マグネット・コイル１２が極低温で超伝導を実現できるようにさせるために超伝導マグネット・コイル１２に対する冷却を提供している。この例示的な実施形態では、ヘリウム容器１４は環状形状を形成するように広がった中空の直角プリズム（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｐｒｉｓｍ）の形状を有している（ただし、適当な任意の形状が想定される）。

低温熱シールド１６はヘリウム容器１４の近くに配置させてヘリウム容器１４を囲繞している。高温熱シールド１８は低温熱シールド１６の近くに配置させて低温熱シールド１６を囲繞している。低温熱シールド１６及び高温熱シールド１８は、超伝導マグネット・コイル１２を熱的に分離して極低温冷却剤に対する冷却要件を軽減する役割を果たす。低温熱シールド１６及び高温熱シールド１８の形状はヘリウム容器１４と実質的に同じ形状である。図１は２つの熱シールドを図示しているが、シールド・システム１０の動作要件に応じて利用できる熱シールドをより多くすることもより少なくすることもあり得ることに留意すべきである。

低温熱シールド１６及び高温熱シールド１８はそれぞれ、コールドヘッド・スリーブ２４の一部分と熱的に接触させている。例示的な一実施形態では、その低温熱シールド１６及び高温熱シールド１８はそれぞれコールドヘッド・スリーブ２４と物理的に接触させることがある。別法として、熱リンク２６によって、低温熱シールド１６及び高温熱シールド１８とコールドヘッド・スリーブ２４との間で熱接触を提供することがある。

コールドヘッド・スリーブ２４は低温熱シールド１６及び高温熱シールド１８を冷却するための手段を提供する。例示的な一実施形態では、冷却エンジン（図示せず）が低温熱シールド１６及び高温熱シールド１８に対する冷却を提供し、低温熱シールド１６及び高温熱シールド１８を約４５Ｋ〜約７０Ｋの温度（熱シールドのコンダクタンスに応じて異なる）まで冷却している。冷却エンジンは例えば、スターリング（ｓｔｉｒｌｉｎｇ）やパルスチューブのタイプとすることができ、特定の任意のエンジンに限定されない。シールド・システム１０は、別法として、図１に示すように複数のコールドヘッド・スリーブ２４を含むことがある。コールドヘッド・スリーブ２４は極低温冷却剤と熱的に連絡した再凝縮器２８を含むことがある。

真空容器２０は高温熱シールド１８の近くに配置させ、高温熱シールド１８を囲繞すると共に、真空容器２０の内部を真空容器２０の外部にある領域に対して実質的に真空に維持している。真空容器２０の形状は、低温熱シールド１６及び高温熱シールド１８並びにヘリウム容器１４と実質的に同じ形状である。

例示的な一実施形態では、貫通孔２８が真空容器２０、高温熱シールド１８、低温熱シールド１６及びヘリウム容器１４を通過している。貫通孔２８は、超伝導マグネット・コイル１２との電気的連絡のための配線や超伝導マグネット・コイル１２の特性を監視するための計器を通過させるコンジットを提供する。貫通孔２８は低温熱シールド１６及び高温熱シールド１８と熱的な連絡を提供する熱リンク２６を含むことがある。

例示的な一実施形態では、その低温熱シールド１６及び高温熱シールド１８のそれぞれが複合熱シールド４０（図２参照）である。別法として、低温熱シールド１６及び高温熱シールド１８の一方を複合熱シールド４０とさせ、またもう一方を従来の熱シールドとさせることがある。さらに、シールド・システム１０が複数の熱シールドを備える場合に、従来の熱シールドと複合熱シールド４０の任意の組み合わせを利用できることを理解すべきである。

図２は例示的な一実施形態による複合熱シールド４０の断面図を表している。この例示的な実施形態による複合シールド４０は撮像空間の周縁に沿って環状に広がった中空の直角プリズムの形状を利用しているが、適当な任意の形状を利用することができる。複合熱シールド４０は、第１の側壁４２、第２の側壁、４４、第３の側壁４６及び第４の側壁４８を有するシールド本体４１を含む。第１から第４までの側壁４２〜４８のそれぞれは、以下でより詳細に記載するような複合材料から製作されている。断面を見た場合、第１の側壁４２は第３の側壁４６及び第４の側壁４８と実質的に直交して配置されている。第３の側壁４６及び第４の側壁４８の端部部分は、第１の側壁４２の相対する端部部分の近くに配置されており、これにより第３の側壁４６と第４の側壁４８は互いに実質的に平行でありかつ互いに対面している。第２の側壁４４は第３の側壁４６及び第４の側壁４８と実質的に直交して配置されている。第２の側壁４４は第３の側壁４６及び第４の側壁４８のそれぞれの反対側端部部分の近くに配置されており、これにより第２の側壁４４は第１の側壁４２と実質的に平行であると共に第１の側壁４２と対面している。第１から第４までの側壁４２〜４８は、例えば超伝導マグネット・コイル１２、ヘリウム容器１４あるいは別の熱シールドを受け容れるための受容スペースを規定している。

例示的な一実施形態では、第１の側壁４２及び第２の側壁４４のそれぞれは下位部材５０を含む。図２では第１の側壁４２及び第２の側壁４４のそれぞれごとに２つの下位部材５０を表しているが、追加的な下位部材５０が利用されることもあることを理解すべきである。各下位部材５０が第１の側壁４２及び第２の側壁４４の相対する各１つの端部部分を形成している。さらに、各下位部材５０の隣接する端部は中央支持リング５４によって結合されている。中央支持リング５４は、各下位部材５０間のジョイントを封止するように複合熱シールド４０の内部の周りに広がっている。

第１から第４までの側壁４２〜４８のそれぞれの間のジョイントはコーナー支持リング５８によって封止されている。各コーナー支持リング５８は、第１から第４までの側壁４２〜４８のそれぞれの間のジョイントを封止するように複合熱シールド４０の内部の周りに広がっている。

図３は図２の複合熱シールド４０のジョイント区画「Ａ」の拡大図である。図３は第１の側壁４２と第４の側壁４８の間のジョイント区画「Ａ」を表しているが、別のジョイント区画のそれぞれも実質的に同一である。第１の側壁４２と第４の側壁４８はコーナー支持リング５８によって封止されている。第１の側壁４２及び第４の側壁４８のそれぞれにある穴を通して、ねじ６０でコーナー支持リング５８を係合させることがある。さらに、第１の側壁４２と第４の側壁４８の間の接触位置で第１の側壁４２と第４の側壁４８の間に高熱伝導性エポキシ６４を配置させることがある。

第１の側壁４２及び第４の側壁４８のそれぞれの製作に使用される複合材料はアルミニウムやアルミニウム合金と比較してその密度が低く、その熱伝導率が高くかつその導電率が低くなるように選択される。例えば、熱分解グラファイト（ＴＰＧ）や熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）を使用することができる。この複合材料は、約７０Ｋにおいて約１０００Ｗ／ｍ・Ｋを超える熱伝導率を有するように選択される。アルミニウムは約３００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有するため、熱シールドの厚さを３分の１に小さくしてもアルミニウム製熱シールドに対して同様の熱性能を実現することができる。複合材料は、約３×１０^−６Ωｍから約３×１０^−３Ωｍまでの範囲の電気抵抗率を有するように選択される。複合材料は従来の熱シールドと比べて高い電気抵抗率を有するため、高電気抵抗率を有する熱シールド内に誘導されるうず電流は無視できる大きさである。したがって、振動誘導及び傾斜コイル誘導の磁場不安定性は無視できる大きさである。複合材料は約２．４ｇ／ｃｍ^３未満の密度、すなわちアルミニウムよりも約１０％小さい密度を有するように選択され、これにより熱シールドの重量を軽減させている。

ヘリウム容器１４と対面している複合熱シールド４０の表面は、複合熱シールド４０からヘリウム容器１４への熱放射を低下させるような放射率抑制を有する必要がある。この放射率抑制を達成するには、複合熱シールド４０の内側面に高伝導性のアルミニウム・テープ７０を付着させることがある。

上で述べたように、複合熱シールド４０と従来の熱シールドを任意に組み合わせて使用することができる。さらに、従来の熱シールドを複合熱シールド４０と接触するように配置させてこれを囲繞させることもできる。別法として、従来の熱シールドをＴＰＧまたはＰＢＮを用いてクラッディングさせて性能を向上させることもできる。さらに、ＴＰＧやＰＢＮのクラッディング厚は、温度勾配及び平均シールド温度低下を最適化するように様々な値にすることができる。

さらに、本発明に関して例示的な実施形態を参照しながら記載してきたが、本発明の趣旨を逸脱することなく様々な変更が可能であると共に、その要素の等価物による置換が可能であることは当業者であれば理解するであろう。さらに、多くの修正形態により、本発明の本質的趣旨を逸脱することなく具体的な状況や材料を本発明の教示に適応させることができる。したがって、本発明を実施するように企図したベストモードとして開示した特定の実施形態に本発明を限定しようという意図ではなく、本発明は添付の特許請求の範囲の域内に入るすべての実施形態を包含するように意図している。さらに、「第１の」、「第２の」などの用語の使用は、何らかの順序や重要度を意味しておらず、「第１の」、「第２の」などの用語はむしろ、ある要素を別の要素と区別するために使用したものである。さらに、「ａ」、「ａｎ」などの用語の使用は、数量の限定を意味したものではなく、むしろ言及された要素が少なくとも１つ存在することを意味している。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

例示的な一実施形態によるシールド・システムの断面図である 例示的な一実施形態による複合熱シールドの断面図である 図２の複合熱シールドのジョイント区画の拡大図である。

符号の説明

１０ シールド・システム
１２ 超伝導マグネット・コイル
１４ ヘリウム容器
１６ 低温熱シールド
１８ 高温熱シールド
２０ 真空容器
２４ コールドヘッド・スリーブ
２６ 熱リンク
２８ 貫通孔
４０ 複合熱シールド
４１ シールド本体
４２ 第１の側壁
４４ 第２の側壁
４６ 第３の側壁
４８ 第４の側壁
５０ 下位部材
５４ 中央支持リング
５８ コーナー支持リング
６０ ねじ
６４ 高熱伝導性エポキシ
７０ アルミニウム・テープ

Claims (10)

1. 環状形状を有しかつ７０Ｋにおいて１０００Ｗ／ｍ・Ｋを超える熱伝導率及び、３×１０ ^-6 Ωｍから３×１０ ^-3 Ωｍまでの範囲の電気抵抗率を有する熱分解グラファイトと熱分解窒化ホウ素の少なくとも一方を含む材料を含んだシールド本体（４１）を含む超伝導マグネット用熱シールド（４０）。
2. 前記シールド本体（４１）は２．４ｇ／ｃｍ³未満の密度を有する材料を含む、請求項１に記載の熱シールド（４０）。
3. 前記シールド本体（４１）は、
   超伝導マグネットを囲繞し、中空の円筒形状を有する冷媒容器の周りにおいて環状形状を形成し、
   環状の第１の側壁（４２）と、
   前記第１の側壁（４２）と実質的に平行としかつ該第１の側壁（４２）の内側に対面して配置させた環状の第２の側壁（４４）と、
   前記第１及び第２の側壁（４２、４４）と実質的に直交しかつ該第１及び第２の側壁（４２、４４）の対応するエッジ間に広がるように配置させた第３の側壁（４６）と、
   前記第３の側壁（４６）と実質的に平行としかつ前記第１及び第２の側壁（４２、４４）の対応する反対側エッジ間に広がるように配置させた第４の側壁（４８）と、
   を備えている、請求項１又は２に記載の熱シールド（４０）。
4. 前記第１及び第２の側壁（４２、４４）は機械式継ぎ手を介して前記第３及び第４の側壁（４８）に接続されている、請求項３に記載の熱シールド（４０）。
5. 前記機械式継ぎ手は支持リング（５８）を各機械式継ぎ手の内側部に配置させて含む、請求項４に記載の熱シールド（４０）。
6. 前記機械式継ぎ手は高熱伝導性のエポキシ（６４）を含む、請求項５に記載の熱シールド（４０）。
7. 中央支持リング（５４）をさらに含み、
   前記第１及び第２の側壁（４２、４４）の各々は第１及び第２の下位部材を備え、
   前記第１及び第２の下位部材（５０）はそれぞれ前記中央支持リング（５４）を介して接続されている、請求項３乃至６のいずれかに記載の熱シールド（４０）。
8. 前記第１の側壁（４２）の内側面に配置された高伝導性のアルミニウム・テープ（７０）をさらに含み、
   前記アルミニウム・テープ（７０）が前記熱シールド（４０）の熱放射を低下させる、請求項３乃至７のいずれかに記載の熱シールド（４０）。
9. アルミニウム合金により制作された熱シールドを更に含み、
   前記アルミニウム合金により制作された熱シールドが、前記第１及び第２の側壁（４２、４４）と接触するように配置され、前記第１及び第２の側壁（４２、４４）を囲繞する、請求項３乃至８のいずれかに記載の熱シールド（４０）。
10. 前記超伝導マグネットと、
    前記冷媒容器と、
    前記冷媒容器を囲繞する、請求項３乃至９のいずれかに記載の低温熱シールド（１６）と、
    前記低温熱シールド（１６）を囲繞する、請求項３乃至９のいずれかに記載の高温熱シールド（１８）と、
    前記高温熱シールド（１８）を囲繞する、環状の真空容器（２０）と、
    前記低温熱シールド（１６）に接触し、前記低温熱シールド（１６）を冷却する、第１のコールドヘッド・スリーブ（２４）と、
    前記高温熱シールド（１８）に接触し、前記高温熱シールド（１８）を冷却する、第２のコールドヘッド・スリーブ（２４）と、
    前記真空容器（２０）、前記高温熱シールド（１８）、前記低温熱シールド（１６）及び前記冷媒容器（１４）を通過し、前記低温熱シールド（１６）及び前記高温熱シールド（１８）と熱的な連絡を提供する熱リンク（２６）を含む貫通孔を備え、前記冷媒容器の冷却剤と熱的に連絡した再凝縮器（２８）と、
    を含み、
    前記低温熱シールド（１６）と前記高温熱シールド（１８）との間に環状の間隙が形成される、シールド・システム。
    

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