JP5226930B2 - 熱管理機器及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、限定ではないが、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムの熱管理された傾斜コイル及びこのような熱管理された電気部品を使用するＭＲＩシステムを含む、発熱する電気部品の熱管理用機器とこのような機器を使用する装置とに関する。

高度に均一な磁場は、医療用装置或いは化学／生体装置として磁気共鳴イメージ（ＭＲＩ）及び核磁気共鳴（ＮＭＲ）システムを使用する上で有用である。現在入手可能な一般的でメンテナンスコストが低いＭＲＩシステムは、永久マグネットシステムを使用しており、これは予め定められた空間（イメージング・ボリューム）中に中程度から高程度の均一磁場を生成する。永久マグネットシステムは通常、ＮｄＦｅＢなどの複数の永久マグネットブロックを使用して、単一の磁気対象物を形成し、イメージング・ボリュームにおいて所望の高均一磁場を達成する。別の既知のシステムにおいて、（超伝導コイルのような）電磁コイルが、高均一磁場を発生するために使用される。システムによっては、このようなコイルによって生成された磁場は、７テスラ、或いは場合によってはそれよりも高いものとすることができる。

既知ＭＲＩシステムにおいては、傾斜磁場コイルは、主磁場中に一定の傾斜を導入することによって、イメージング・ボリュームの特定位置における磁場強度を変更するのに使用される。磁場を変更することにより、信号が発生しているサンプルの位置を特定することが可能になる。このようにして、解析用にサンプルの特定領域を選択することができる。

ＭＲＩ傾斜コイルの熱管理は、画像の品質及び信頼性に関して有意な影響を有する。幾つかの既知の構成においては、傾斜コイルは、銅コイル、ワイヤ、エポキシ、テープ、及び熱伝導性エポキシを含む多くの薄層からなる。従って、各層は、厚み、表面積、及び熱伝導率に依存する熱抵抗を有する。
米国特許第６６４０６４７号

既知のＭＲＩ熱管理システムは、様々な場所で冷却管を使用する。しかしながら、軸方向冷却システム（すなわち、頭から爪先までの患者軸に対して公称上平行であるｚ−軸に沿って配置された冷却管）は、例えば、冷却管の曲げ限界に起因して、ＭＲＩシステムのボリュームの１５％から２５％だけを範囲に含むように、一般に制限される。この有効範囲は、多くの熱交換器における蛇行構造体によって提供された有効範囲に極めて類似する。軸方向冷却システムのこの制限されたボリューム有効範囲は、熱拡散抵抗をもたらす。それにもかかわらず、軸方向冷却システムは、中空の冷却管間の距離が２０から４０ｍｍで磁場及び画像品質に影響を与えることなく熱管理量を提供する。しかしながら、傾斜コイル内部の局部的熱発生と傾斜コイル内部の介在層の熱伝導率が低いことに起因して、同一半径で配置された冷却管の間に温度勾配が存在する可能性がある。

従って、本発明は、幾つかの構成において、電気部品用の冷却組立体を提供する。この組立体は、非磁性の熱伝導拡散基体と、作動しているときに基体が冷却されるように、熱伝導拡散基体と熱接触して配置された少なくとも１つの蛇行冷却管（１４）とを含む。

幾つかの構成においては、本発明は、熱伝導表面を有する非磁性の拡散基体を含む電気部品を提供する。この電気部品はまた、少なくとも１つの熱伝導表面と熱接触して配置され、作動しているときに接触された表面が冷却されるように少なくとも１つの蛇行冷却管を含む。更に、この電気部品は、円筒形磁気巻線層を含む。この磁気巻線層は、巻線層から非磁性拡散基体へ熱を伝導するように、非磁性拡散基体と熱接触している。この非磁性拡散基体は、熱伝導性で非導電性層に結合された金属層を含む。この金属層は、１つ又はそれ以上の蛇行チューブと熱接触しており、巻線層は熱伝導性で非導電層と接触している。

幾つかの構成においては、本発明は、主マグネットを有する磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置を提供する。このＭＲＩ装置はまた、熱伝導表面を有する非磁性拡散基体と、蛇行冷却管が作動しているときに接触面が冷却されるように熱伝導表面と熱接触して配置された少なくとも１つの蛇行冷却管とを含む。このＭＲＩ装置は更に、円筒形磁気巻線層を有する傾斜コイルを含む。この磁気巻線層は、巻線層から非磁性拡散基体へ熱を伝導するように、非磁性拡散基体と熱接触している。非磁性拡散基体は、熱伝導性で非導電性層に結合された金属層を含む。この金属層は、蛇行冷却管と熱接触している。巻線層は、この熱伝導性で非導電性層と接触している。

本発明の多くの構成は、電気部品中の局部的ホットスポットを減少させることが理解されるであろう。本発明の多くの構成はまた、従来の冷却技術よりも低い温度及びより均一な温度分布を提供する。結果として、より効率的な熱管理が達成される。

各図は、必ずしも縮尺通りには描かれてはいない。

本発明の幾つかの構成において、図１及び２を参照すると、電気部品１０は、熱伝導性で非磁性の拡散基体１２を含む。少なくとも１つの蛇行冷却管１４は、基体１２の熱伝導性表面、例えば基体１２の外表面の少なくとも１つに熱接触して配置される。

幾つかの構成においては、冷却管１４は、該冷却管を通って流れ、遠隔の熱交換器と熱交換する冷却媒体を有する。適当な冷却媒体は、限定ではないが、水、水とグリコールとの混合物、冷却剤、或いは、ＦＣ−７２又はＨＦＥ７１００などの誘電性流体を含む。冷却管１４が作動すると、基体１２の外表面は冷却される。幾つかの構成においては、熱伝導充填材１６が冷却管１４の湾曲部間に加えられる。円筒形磁気巻線層１８は、基体１２の内面と熱接触しており、これにより巻線層１８から非磁性の拡散基体１２へ熱が伝導する。エネルギが加えられると、巻線層１８は、傾斜コイル１０に磁場を与える。幾つかの構成においては、渦電流を回避するために、冷却管１４は、該冷却管が巻線層１８の磁場と結合する導電性閉ループを形成しないように配列される。例えば、幾つかの構成においては、冷却管１４は、該冷却管１４の金属セグメントを結合する間隔おきに非導電性継手（例えば、プラスチック、セラミック、或いは他の非導電性継手、図示せず）を含む。同様に、幾つかの構成においては、冷却管１４は、非導電性継手を使用して、非導電性冷却媒体（例えば水）源に取付けられる。同様に、幾つかの構成においては、冷却管１４は、傾斜磁場巻線との結合に起因する誘起電圧を減少させる目的で多数巻の螺旋を避けるように配列される。

幾つかの構成においては、冷却管１４及び充填材１６を覆う追加の絶縁層２０が備えられる。絶縁層２０は、過剰量の充填材１６を含むことができる。幾つかの構成においては、基体１２と熱接触する１つ又はそれ以上の熱伝導冷却環状フィン２２も備える。図は縮尺通りには描かれておらず、幾つかの構成においては、フィン２２は図示されたものよりも薄い。

電気部品１０がＭＲＩシステムの傾斜コイルである構成においては、円筒形磁気巻線層１８は、ｚ−軸の周りに円筒形に巻かれ、或いはｚ−軸に対して端部間が平行に巻かれた線を含むことができる。他の巻線方式も可能である。磁気巻線層１８は更に、熱伝導性充填材料、絶縁テープ、エポキシなどを含む様々な充填材料を含むことができる。

図３は、図２の線３−３によって示される部品１０の外側から見た熱伝導性層１２及び蛇行管１４の一部を示す。明確にするために、充填材１６は図３には示されていない。図２及び図３を参照すると、非磁性拡散基体１２は、熱伝導性で非導電性（ＴＣＥＮ）の層２６に結合された金属層２４を含む。金属層２４は、少なくとも１つの蛇行冷却管１４と熱接触している。巻線層１８は、ＴＣＥＮ層２６と熱接触している。拡散基体１２は、蛇行冷却管１４が作動しているときに冷却される。幾つかの構成において、図３に示されるように、金属層２４はセグメントに分割され、有意な渦電流がそこに誘起されるのを防ぐ。幾つかの構成においては、金属層２４中にパターンがエッチングされ、これによって金属層２４中の空隙は、ＴＣＥＮ層２６の一部を露出する。

本発明の幾つかの構成においては、金属層２４は、銅又はその合金、或いはアルミニウム又はその合金であり、ＴＣＥＮ層２６は、熱伝導性エポキシ又は他の好適な非磁性材料である。蛇行冷却管１４は、金属層２４上に配置されて、該金属層に溶接、ロウ付け、又は半田付けされる。幾つかの構成においては、蛇行管１４は、熱伝導性接着剤を使用して金属層２４に接着される。

本発明の幾つかの構成は更に、拡散基体１２に取付けられ該基体に対して熱伝導性のある熱伝導性環状フィン２２を含む。より詳細には、幾つかの構成においては、図２、図３、及び図４を参照すると、伝導フィン２２の金属タブ２８は、拡散基体１２の金属層２４に結合される。例えば、図４に示される金属タブ２８は、直角に曲げられて拡散基体１２の金属層２４に接触して、そこに溶接、半田付け、又はロウ付けすることができ、或いは熱伝導性エポキシを使用して接着することができる。装置１０の円筒形構成においては、フィン２２は環状であり、円筒形基体１２のｚ−軸に垂直な平面に取付けることができる。フィン２２は、熱伝導性エポキシ層とすることができるＴＣＥＮ層３２に結合された、分割金属層３０を含むことができる。例えば、分割金属層３０は、図４に示されるように、ＴＣＥＮ層３２を見通すことができる空隙を金属中に備えたアイランドにエッチングされた銅又はアルミニウムの層を含むことができる。ＴＣＥＮ層３２は、図１に示されるように幾つかの構成において、円筒形拡散基体から外向きに配向され、その結果、例えばＭＲＩシステムで使用されるときに非伝導性外側層を有利に提示する。

本発明の幾つかの構成においては、図４を参照すると、内向きに配向された金属層３０の全て或いは一部は、絶縁接着テープ又はプラスチック絶縁テープなどの環状絶縁層３４によって覆われる。テープ３４を用いて、絶縁層２０を覆って巻かれた追加の円筒形磁気巻線（図示せず）を分割金属層３０から隔離することができる。

図は、１つ又はそれ以上の蛇行冷却管１４を円筒形拡散基体１２の外側に有する本発明の構成を示す。しかしながら、本発明の種々の構成において、蛇行冷却管１４は円筒形基体１２の内側に配置され、巻線層１８は円筒形拡散基体１２の外側に配置される。

幾つかの構成においては、図２、図３、及び更に図５を参照すると、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置は、巻線３８の内側で関心ボリューム４４（破線で示される）を撮像するように構成された１つ又は複数の主マグネット巻線３８を含む。ＭＲＩ装置はまた、巻線３８内部に本発明の熱冷却された電気部品１０（破線で示される）の１つ又はそれ以上の構成を含む。例えば、熱冷却された電気部品１０はそれぞれ、少なくとも１つの蛇行冷却管１４（図５には示されず、図２及び３に示される）を含む。電気部品１０、従ってＭＲＩ装置３６はそれぞれ更に、円筒形磁気巻線層１８を含む傾斜コイルを含む。蛇行冷却管１４は、該蛇行冷却管１４が作動しているときに接触表面が冷却されるように、基体１２の熱伝導性表面と熱接触して配置される。巻線層１８を含む傾斜磁場コイルは、巻線層１８から基体１２に熱を伝導するように、非磁性拡散基体１２と接触している。基体１２は、金属層２４を含み、熱伝導性の非導電性層２６に結合される。冷却管１４は金属層２４と熱接触しており、巻線層１８は非導電層２６と接触している。

ＭＲＩ装置３６の幾つかの構成においては、基体１２は円筒形であり、１つ又は複数の蛇行冷却管１４は、円筒形基体１２の内側にあり、巻線層１８は、基体１２の外側にある。種々の他の構成において、拡散基体１２は円筒形であり、１つ又は複数の蛇行冷却管１４は、円筒形基体１２の外側にあり、巻線層１８は、基体１２の内側にある。ＭＲＩ装置３６の幾つかの構成はまた、環状フィン２２を含む。フィン２２は、拡散基体１２に取付けられて該基体に対して熱伝導性があり、熱伝導性の非導電性層３２に結合された分割金属層３０を含み、該、熱伝導性の非導電性層は、非導電性外表面を提供するために有利には外側に向かって面する。絶縁体３４の環状層は、幾つかの構成においては環状フィン２２の分割金属層を覆って配置され、充填材層２０を覆って巻かれた二次巻線（図示せず）を電気絶縁する。

本発明の幾つかの構成においては、電気部品用の冷却組立体は、円筒形ではなくて平坦な拡散基体１２を含む。このような冷却組立体はまた、ＭＲＩ装置の幾つかの構成においては有用である。

本発明は、両表面に接触する１つ又はそれ以上の冷却管が備えられた構成を排除するものと解釈すべきではない。例えば、冷却管１４は、基体１２の縁部の周囲に折りたたむことができ、又は基体１２中の穴を貫通してもよい。また、本発明は、基体１２の各表面に対して別個の冷却管が備えられる構成、或いは、基体１２が複数の小さな結合された基体を含む構成を除外するものでもない。例えば、円筒形管は、平坦面と多角形断面とを有する管体を使用して接近させることができる。冷却管１４は、このような基体の平坦面の幾つかに接触することができる。

本発明の幾つかの構成における、冷却層間、或いは１つ又は複数の蛇行冷却管１４の湾曲部間に、別の高い熱伝導性のポリマー材料を有利に配置することができる。

本発明の多くの構成は、電気部品中の局所的なホットスポットを減少させることが理解されるであろう。本発明の多くの構成はまた、従来の冷却技術に比べ、コイル中にのより低い温度及びより均一な温度分布を提供する。結果として、より効率的な熱管理が達成される。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が請求項の技術的精神と範囲内で変更を加えて実施できることは当業者であれば認識するであろう。

本発明の電気部品の様々な構成を表す側面図。 線１−１に沿った図１の構成の切欠き図。 図１の非磁性拡散基体及び蛇行コイルの一部３−３の平坦化された図。 図１に示された電気部品の構成での使用に好適なフィンの内側に面する表面を示す図。 本発明の磁気共鳴イメージング・システムの様々な構成の主マグネット及び傾斜コイルを示す図。

符号の説明

１２ 拡散基体
１４ 冷却管
２２ 環状フィン
２４ 金属層
２６ 熱伝導で非導電の層
２８ 金属タブ

Claims (9)

1. 電気部品（１０）用の冷却組立体であって、
   前記電気部品（１０）と熱接触する非磁性の熱伝導拡散基体（１２）と、
   作動しているときに前記基体が冷却されるように、前記熱伝導拡散基体と熱接触して配置された、少なくとも１つの蛇行冷却管（１４）と、
   前記拡散基体（１２）に取付けられ且つ該基体に対して熱伝導性がある環状フィン（２２）と、
   を備え、
   前記環状フィンの金属タブ（２８）が、前記分割金属層に結合され、前記環状フィンは円筒形である前記拡散基体（１２）の軸に直角な平面中にあり、
   前記拡散基体は熱伝導性の非導電性層に結合した分割金属層のマトリクスを含み、
   前記分割金属層のマトリクスは、前記少なくとも１つの蛇行冷却管（１４）と熱接触しており、
   前記少なくとも１つの蛇行冷却管は前記分割金属層のマトリクス上に配置されている組立体。
2. 前記拡散基体（１２）は平坦であり、前記少なくとも１つの蛇行冷却管は前記分割金属層のマトリクスを構成する各分割金属と熱接触するように蛇行していることを特徴とする請求項１に記載の組立体。
3. 前記分割金属層が銅又はアルミニウムで形成されており、前記非導電性層が熱伝導性エポキシにより形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の組立体。
4. 前記少なくとも１つの蛇行冷却管（１４）は、該冷却管（１４）の金属セグメントを結合する非導電性継手を含み、
   前記少なくとも１つの蛇行冷却管（１４）は、前記分割金属層に溶接、ロウ付け、又は半田付けされることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の組立体。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電気部品（１０）用の冷却組立体を製造する方法であって、
   熱伝導性の非導電性層と該非導電性層に結合する金属層とを備える非磁性の熱伝導拡散基体（１２）を用意する段階と、
   前記金属層中にパターンをエッチングし、前記非導電性層の一部を露出させることにより、互いの空隙に非導電性層が露出した、分割金属層のマトリクスを形成する段階と、
   前記分割金属層のマトリクスに、少なくとも１つの蛇行冷却管（１４）を固定する段階と、
   を含む方法。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の組立体と、
   前記非磁性の拡散基体に熱を伝導するように、該非磁性の拡散基体と熱接触している円筒形磁気巻線層（１８）と、
   を備えることを特徴とする電気部品（１０）。
7. 主マグネットと、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の組立体と、
   円筒形磁気巻線層（１８）を含み、該円筒形磁気巻線層から前記非磁性拡散基体に熱を伝導するように、前記円筒形磁気巻線層が前記非磁性拡散基体と熱接触している傾斜コイルと、
   を備えることを特徴とする磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置。
8. 前記拡散基体（１２）は円筒形であり、前記少なくとも１つの蛇行冷却管（１４）は前記円筒形拡散基体の内側にあり、前記円筒形巻線層（１８）は前記円筒形拡散基体の外側にあることを特徴とする請求項７に記載のＭＲＩ装置（３６）。
9. 前記拡散基体（１２）は円筒形であり、前記少なくとも１つの蛇行冷却管（１４）は前記円筒形拡散基体の外側にあり、前記円筒形巻線層（１８）は前記円筒形拡散基体の内側にあることを特徴とする請求項７に記載のＭＲＩ装置（３６）。
   

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