JP5294712B2 - クライオスタット内の極低温装置を支持するためのサスペンションロッドの引っ張り支持構造 - Google Patents

Description

本発明はクライオスタット、特にクライオスタット内の極低温装置を支持するためのサスペンションロッドの引っ張り支持構造に関する。

臨床医によるアクセスを改善しそして患者を楽にさせるためにはＭＲＩシステムで使用される磁石を出来るだけ小型化すると有利である。一般的に使用される超伝導磁石は低温に維持されなければならず、それ故、超伝導磁石を懸架システムにより懸架しそしてその懸架システムを介した熱伝導を最少としなければならない。

磁気共鳴画像（ＭＲＩ）システムは一般的に極低温の超伝導磁石を有し、その超伝導磁石は排気された外側真空容器を有するクライオスタット内に設けられる。多数の支持ロッドあるいは支持バンド又はそれに類するものからなるサスペンション構造が一般的に設けられている。それらサスペンション構造は非常に高い抗張力を持ちそして磁石およびその冷却機構の重量による静的負荷およびＭＲＩシステムの作動あるいはクライオスタット内の磁石の運搬による動的負荷に耐えるように設計されている。

オーステナイト系ステンレス鋼のような高強度金属製のサスペンションロッドはクライオスタット内の極低温冷却された超伝導磁石を支持する完成された方法である。図５はクライオスタット内の極低温冷却された磁石用の従来の支持装置を概略的に示している。参照数字５２は冷却装置を備えた超伝導磁石を示している。従来のようにこれは部分的に液体ヘリウムで満たされた低温容器内に設けた構成部材に装着された多数のコイルを有している。しかしながらその他の冷却構成とすることが出来るから、本発明はこの選ばれた特定の冷却構成に限られるものではない。この磁石と冷却構造を含む構造５２は外側の真空容器５４内に配置される。これにより外気温から熱的に分離される。図５には示されていないが、放熱シールドのような他の特徴を設けることが出来ることは当業者の常識である。磁石・冷却構造５２は多数の支持ロッド１０により保持される。図に示すように、これらロッドの熱抵抗を増し支持ロッド１０の材料を介しての磁石・冷却構造５２への熱の流入を減少させるために、これらロッドを出来るだけ長くすることを考えるのが普通である。磁石・冷却構造５２と外側真空容器５４に支持ブラケットが設けられる。これら支持ロッド１０は磁石・冷却構造５２により生じる静的および動的負荷を担うべくこれらブラケット間に張り渡される。熱的長さとは伝導熱が外側真空容器５４から伝播して磁石・冷却構造５２に到達する距離である。この熱的長さを考慮するときにこの熱路の部分の断面積と熱伝導度も考慮される。かくして、原理的には長さに関連するが、熱的長さの概念が二つの物体間の熱的抵抗を表すことになる。

従来の設計では、組立および引っ張りを容易にするため、一般にはねじ端部を有する長尺のロッドを用いて熱負荷を最少にしている。しかしながらこの構成では、組立システムおよびサスペンションロッドの取り付けシステムのための大きな空間がクライオスタット内に必要になる。この所要の長さを短くするために、金属より低い熱伝導度を有する高強度材料、例えばガラス繊維または炭素繊維合成物、を用いることが出来るが、それら材料の製造は本来高価である。

本発明は特に極低温冷却される磁石の支持構造について記載されるが、任意の極低温装置、すなわち外側真空容器５４内にあって外気温より極めて低い温度まで冷却される装置、の支持に応用できる。

本発明の目的は高価な材料を用いることなく小型クライオスタット内に低熱負荷を達成する構成により懸架される極低温装置を含むクライオスタットを提供することである。そしてこれをサスペンションロッドの熱的長さを更に増すことにより達成するものである。

合成バンドを用いそして簡単な（フック−オン）組立を容易にするコンパクトなサスペンション構造がジーメンスマグネチックテクノロジー社の特許文献１に記載されている。本発明は同様の問題に関しており、安価な典型的な金属製のロッドサスペンションを提供するものである。
英国特許出願公開ＧＢ２４２６５４５

ＭＲＩ画像装置用の超伝導磁石を支持するために用いられる周知の金属サスペンションロッドは、ナットと組み合わされたねじ付端部を用いて固定されている。しかしながら、許容できる疲労強度を達成するにはそのねじ部を高精度に製造しなければならない。更に、熱負荷を最少にするにはロッドのねじ部分以外の直径をねじの形成に必要な直径より小さくしなければならないが、製造コストが高くなる。ナットを締め付ける際のサスペンションロッドの回転を防ぐために複数の平面部分のようなものを設けてもよいがそのようなものの製造は高価でありまた使用が困難であり、一本のサスペンションロッドに複数のナットを締め付けるには例えば数個のスパナーを同時に必要とすることもありうる。

ねじの不便さを克服するための他の公知のサスペンションロッドの固定構造としては、例えば冷間成形ヘッドを用いるものが知られており、そしてそれは例えば海底掘削の分野で使用されている。しかしながら、それは本来長さの調整方法を提供するものではなく、長さ調整を達成するための公知のものは分厚くそして極低温冷却装置用の支持構造における熱的長さを損なうものである。

図３はＭＲＩ磁石システムに使用される代表的なサスペンション構造であるねじ型固定機構を用いた公知の構成を示している。そのようなねじ型ファスナーの使用は支持システムの疲労寿命を制限するものであり、熱的長さを最適にするものではない。

ロッド１０は太くなったねじ部４２を有し、このねじ部分は外側サスペンションブラケット３２の孔またはスロットを通されている。ワッシャー４０はこのねじ部の上に置かれて外側サスペンションブラケット３２に当てられている。このロッドの曲げ荷重を除くためにこの単一のワッシャーを、相補的な雄および雌の球形接触面を有する一対のワッシャーで置き換えて角運動を行えるようにしてもよい。締付けナット２２がこのロッドのねじ部分３８にねじ込まれ、このロッド１０に所要の張力をかけるように固定される。この締付けナット２２の緩みを防ぐために、緩み止めナット２４を締付けナット２２上に締め付けることが好ましい。このロッドの端部にスロット付ヘッド１４あるいはそれに相当するものを設け、ナット２２及び２４を固定する際にこのロッドが回転しないように適当な工具で保持してもよい。

本発明のねらいは外側真空容器内の極低温装置を支持するための改善されたロッドサスペンション構造であって、
− 熱的長さが最大となり、
− 前記ロッドのねじ部を不要とし、それによって前記ロッド上の異なる位置における異なるロッド直径を設ける必要性を不要とし、そして前記主要部分長さにおいて要求されるロッド直径を最少にし、
− 前記支持ロッドに予負荷をかける作業を簡略にし
− 前記ロッドの角度的な不整合を許容し、そして
− 前記ロッドの変形又は直径の減少を避けることによって疲労寿命を最適にする
ようになったロッドの引っ張り支持構造を提供することである。

従って、本発明は特許請求の範囲に記載する装置を提供するものである。

本発明の前記のそして他の目的、特徴及び利点は下記の図面に示す実施例の以下の説明によりさらに明らかになるものである。

本発明の特徴によるテンションロッド支持構造は下記の特徴の内の少なくとも幾つかを実現するために必要なものである。
− 予負荷の矛盾のない適用を達成するための手段が設けられていること；
− 前記ロッドの角度的な不整合が限られた範囲内で許容されねばならないこと；
− 前記ロッドの実際のそして必要な長さの変化に応じる能力；
− 超伝導磁石のような支持されるべき物体と支持表面との間で前記ロッドの熱的長さを最大とすること；
− 前記サスペンションロッドの緩みを防ぎそして印加された予負荷を維持するために緩み止め構造を設けるべきこと；
− 前記ロッドの引っ張り端部がそのロッドの反対側の端部の設定後に固定しうるようにする組み立てプロセス；
− 最適化された疲労寿命；及び
− 長さ調整中の前記サスペンションロッドの捩れの防止。

図２は本発明の一実施例によるサスペンションユニットの全体図であって、前記内端サスペンションブラケットを有し、好ましくはそのブラケットに前記ロッドが鉤止めされる。典型例としては一個のクライオスタット内に少なくとも８個のそのようなサスペンションユニットが用いられ、吊り下げられる極低温装置をすべての自由度をもって支持することが出来るようになっている。図示のサスペンションロッド１０の組立体は前記外側真空容器と前記吊り下げられた極低温装置との間に設けられる。この吊り下げられた極低温装置は「内端サスペンションブラケット」３０を有し、前記外側真空容器は「外端サスペンションブラケット」３２を有している。ここにおける「外」と「内」なる用語は本発明を制限するものではなく、便宜的なものである。特に、後述する調整機構は内端サスペンションブラケット３０又は外端サスペンションブラケット３２近辺に配置することが出来る。これらサスペンションブラケット３０、３２は任意の形を取ることが出来、図示のものに類似のものとする必要は無い。

好適には、このサスペンションロッド１０をフック−オンプロセスにより内端サスペンションブラケット３０に装着し、それによって、適切な端部構造を有する前記ロッド１０の「内」端部をその「外」端部を中心にしてロッドを動かすことにより、内端サスペンションブラケットへの直接アクセスの必要なしに内端部ブラケットの対応する部分に簡単に引っ掛けることが出来る。内端部ブラケットへのアクセスがしばしば困難であるので、そのような構造は組み立てを容易にするものである。そのようなフック−オン動作を可能にするロッド１０と内側端部ブラケット３０の特徴を以下に詳述する。

図４Ａ，４Ｂ，４Ｃは、サスペンションロッド１０の内端部を内端サスペンションブラケット３０に結合するために使用できるフック−オン構造を示している。勿論、その他の構造も使用できるが、本発明者はそのようなフック−オン構造が単純で容易に調整可能なサスペンション構造を設ける際の本発明の特徴である前記引っ張り支持手段と組み合わせに有益であると考える。記載を容易にするために図４Ａ，４Ｂ，４Ｃを一緒に説明する。

前記内端サスペンションブラケット３０の特定の構造が例示されている。これは、前記ロッド１０の本体が充分通ることの出来る幅のスロット８２を有する。このスロットの内端部に穴８４が形成されている。前記ロッド１０の内端部に、機械的な鍛圧形成のような適切な方法により拡径ヘッド８６が形成されている。前記ロッド１０の本体の通る貫通孔を有する保持部８８と前記ロッドの拡径ヘッド８６に適合しそして好適にはそれを保持する受け入れ穴が設けられている。前記保持部と前記拡径ヘッドとを共に保持するための、スエージ加工された部分８９を形成してもよい。或いは、前記ロッドと前記保持部を止め輪により保持してもよい。前記内端サスペンションブラケット３０の穴８４は保持部８８と拡径ヘッド８６に適合するように寸法づけられている。このサスペンション構造の組立てにおいて前記保持部８８は前記拡径ヘッドの上に位置づけられている。これは、前記保持部を反対側から前記ロッドにねじ込むか、前記拡径ヘッドの形成前に前記保持部を前記ロッドにねじ込むか、或いは二個以上の部分からなる保持部８８を前記ロッド１０の本体の周りに組み込むことにより達成できる。前記ロッド１０の本体はスロット８２に通され、前記保持部８８が前記ブラケット３０の内端から確実に突出するようにされている。次にこのロッドを外側に引き出し、図４Ｃに示すように前記保持部８８が前記穴８４に入るようにする。前記穴８４と前記保持部８８の接触面はほぼ球形となり、前記ロッドと前記ブラケットの間のある程度のアラインメント調整が可能になる。不整合が無ければ、前記保持部８８を除くことができ、前記ロッドはその拡径部８６により穴８４内に直接保持されることになる。

図２において、前記ロッド１０は外端部サスペンションブラケット３２を通過しそして、図１を参照してさらに詳述する引っ張り支持手段３４により引っ張られる。この外端サスペンションブラケットに関しては、前記ロッド１０と前記手段３４を受け入れるスロット３６が設けられていることを特徴とする。このようなスロット３６により、前記ロッド１０と前記手段３４の組立体をその装着と引っ張り中に分解する必要がなくなる。

本発明のロッドサスペンション組立体を固定し緊張させる方法は好適には図２に例示されるように下記の段階からなる。
− 前記サスペンションロッドの内端を前記内端サスペンションブラケット３０に掛ける；
− 前記サスペンションロッドの外端と前記手段３４を前記外端サスペンションブラケット３２の前記スロット３６に入れる；そして
− 図１を参照して次に述べるように前記手段３４の操作により前記ロッドに予張力を与える。

図４Ａ−４Ｃに示す前記内端サスペンションブラケット３０は、前記ロッド１０がそれが取り付けられた前記極低温装置の表面にほぼ平行に前記ブラケットと結合するように組み立てられる。これは、図５に示すような冷却された磁石の支持の典型的なケースであり、前記支持ロッドの長さを最大にした設計の結果である。勿論、ロッドが取り付けられたその極低温装置の表面に対し他の角度をもって前記ロッド１０を保持するようにする同様の内端サスペンションブラケットは当業者により想定されうるものである。

図１は本発明の一実施例による引っ張り支持手段３４の横断面を例示している。

図１は前記ロッド１０の外端部と前記引っ張り支持手段３４を示している。前記ロッド１０は円筒状のロッド担体２０を通り、ロッド端部１４により前記ロッド担体の表面に対して保持される。前記ロッド１０の端部には、好適には据え込み操作で拡径ヘッド１２が形成される。この拡径ヘッドを通じて前記ロッドに張力が与えられ、従来のねじ付ロッドの応力集中を避けている。ロッド端部１４は貫通孔と前記ロッド１０の拡径ヘッド１２を保持する内部保持穴を有し、その貫通孔をロッドが通っている。この内部保持穴は好適には前記拡径ヘッド１２の形状に合わせてあり、比較的大きな表面積における有効な機械的接触を行い、ロッドの疲労寿命を長くしている。前記ロッド端部１４は前記ロッド担体２０の端部の相補座面１８に当接する球形表面１６を有している。相補座面１８に当接する球形表面１６のこの構造により、前記ロッド１０と前記ロッド担体２０の夫々の軸のアラインメントが不整合であっても、それが所定の許容可能な角度範囲内、例えば任意の方向においての±２°、であれば、前記引っ張り支持手段３４の動作が可能となる。前記ロッド担体２０の空洞は好適には円錐台型穴あるいは図１に示すステップ構造３８の複数の異なる直径を有する穴の形でテーパ付けられており、前記ロッド１０にその所定の許容可能な角度的不整範囲にわたるクリアランスを与えている。

前記ロッド担体２０は前記外端サスペンションブラケット３２の前記スロット３６内に配置される（図２）。好適には、前記ロッド担体２０は成形された、例えば、対向した複数の平面を有する内端２６を有しており、それら平面がスロット３６の側部に接してロッド担体２０の回転を防止する。このロッド担体２０の外表面にはねじ４２が形成されており、そのねじの長さは少なくともロッド端部１４と成形内端部２６の間の距離に等しい。締付けナット２２は前記ロッド担体２０の前記ねじ４２に嵌合する。ワッシャー４０は、好適には前記外端サスペンションブラケット３２の表面に接するように前記ロッド担体２０に設けられる。従来のようにこのワッシャーは前記締付けナット２２の適切な支持表面を構成する。

前記締付けナット２２は前記ねじ４２の長さ、例えば２０ｍｍ、にわたり前記サスペンションロッドに張力を与え、それら要素の製造トレランスを補償する調整を可能にすると共に前記サスペンションロッドへの張力の予付加を可能にする。前記外端サスペンションブラケットに成形された前記内端部２６と前記スロットの相互作用により前記ロッド担体の回転が防止されるから、前記サスペンションロッド１０への張力付与は締付けナット２２に対し一個のスパナーを使用することによって簡単に達成できる。

好適には緩み止めナット２４が設けられ、ロッド１０に所要の張力が与えられてしまうと前記締め付けナット２２上に締め付けられる。この緩み止めナット２４は、組み立て後に前記締め付けナット２２が緩くなるのを防止する。前記締め付けナット２２及び前記緩み止めナット２４は前記ロッド端部１４を越えて組立てることができる。前記成形内端部２６はそれらナットがその内端部を越えられないようにする。

前記引っ張り支持手段３４の前記ロッド１０への組立はいくつかの方法の内の任意の一つにより行うことができる。例えば、前記ロッド端部１４を前記ロッド１０の拡径ヘッド１２に被せ、前記ナット２２と２４を、前記ロッド担体２０に嵌め、そのロッド担体を前記ロッド１０の他端へと滑らしてもよい。或いは、前記ロッド端部１４を後に前記拡径ヘッドの周りに配置される２部分組立体とし、前記ナット２２と２４を嵌めた前記ロッド担体２０をロッドの前記拡径ヘッド１２を越えて滑らしてもよい。

本発明のサスペンション組立体の特別な利点は次のようなものである。前記ロッド１０を、前記締付けナット２２と前記外端サスペンションブラケット３２を越えたその端部１２の近辺で抑える。前記ロッドにねじを切り前記外端サスペンションブラケットで締め付けナットを通すようになった図３に示すような構造と比較して、この構造は前記サスペンションロッドの内端と前記外端サスペンションブラケットの間の熱路を長くする。前記外端サスペンションブラケット内での前記ロッド担体の回転を防止する機能を有する成形された内端部２６をロッド担体に設けることにより、前記ロッドの締付けが１個のスパナー操作に簡略される。前記引っ張り支持手段３４を有する前記サスペンションロッド１０は小型化と比較的な低コストの両方を達成する。前記サスペンションロッドの熱的長さを増加しながら与えられたサイズの磁石を含むように要求されるクライオスタットのサイズを小さくすることがＭＲＩ産業における共通の目的であるから、小型であることはＭＲＩ磁石を収容するクライオスタットのような応用において特に有利である。本発明が提供するような小型のサスペンション構造を用いることによりサスペンションロッドの熱的長さが増加し、サスペンション構成用にクライオスタット内に要求される空間を減少することができる。

従って、本発明は、極低温装置をロッドサスペンション構成により吊り下げる外側真空容器を含むクライオスタットを提供する。ある実施例ではこのロッドサスペンション構成は引っ張り及び保持メカニズムを含み、このメカニズムは内端を内端サスペンションブラケットに引っ掛け、その外端サスペンションブラケット内のスロット２６にこの引っ張り及び保持メカニズムを入れ、そしてサスペンションロッド１０に予負荷を与えるために締付けナット２２及び緩み止めナット２４を締め付けることにより簡単な設置を可能にする。

本発明により提供されるような引っ張り支持手段３４をサスペンション構造の夫々のロッドに設けることは利点であるが、環境によっては他の引っ張り構成を幾つかのロッドに設けることが有利になることもありうる。従って、本発明は、複数のサスペンションロッドにより外側真空容器に吊るされる極低温装置を含み、其の内の少なくとも一本のサスペンションロッドが前記の引っ張り支持手段を備えた、前記外側真空容器を有するクライオスタットをカバーするものである。

従って、本発明は例えばＭＲＩシステムで用いられる超伝導磁石のようなクライオスタット内の極低温装置用の小型、低コスト、低熱負荷の引っ張り支持システムを提供する。重要な特徴はねじの代りにヘッド部を有する端部を備えたサスペンションロッド及び熱的長さを最大にしそして製造時での簡単な組立と引っ張り支持を容易にする引っ張り及び保持メカニズムである。

本発明の一態様によるロッド装着及び引っ張り支持の組立を示す図である。 本発明の一実施例による完成されたサスペンションロッドの組立体を示す図である。 ねじ付固定機構を用いる公知の構造を示す図である。 図４Ｃに示すサスペンションロッドの内端を内端サスペンションブラケットに装着するに適したフック−オン構成の基本部分を示す図である。 図４Ａにおける内端サスペンションブラケットの斜視図である。 サスペンションロッドの内端を内端サスペンションブラケットに装着するに適したフック−オン構成を示す図である。 クライオスタット内の極低温磁石用の従来の支持構造の概略図である。

符号の説明

１０ サスペンションロッド
１２ 外側サスペンションブラケット
１４ ロッド端部
１６ 球形表面
１８ 相補座面、ロッド支持面
２０ ロッド担体
２２ 締付けナット
２４ 緩み止めナット
２６ 成形内端
３０ 内端サスペンションブラケット
３２ 外端サスペンションブラケット
３８ テーパ部
４０ ワッシャー
４２ ねじ部
８２ スロット
８４ 空洞
８６ 拡径ヘッド
８８ 保持部

Claims (6)

1. 極低温装置を複数のサスペンションロッド（１０）により吊下げる外側真空容器を有し、前記サスペンションロッドの内の少なくとも一個をサスペンションブラケット（３２）に対し引っ張り支持状態に保持するための引っ張り支持手段（３４）を有するクライオスタットにおいて、
   前記引っ張り支持手段（３４）は、
   −使用時に前記サスペンションブラケットの孔またはスロットを通るように配置された円筒状ロッド担体（２０）であって、
   −使用時に前記ロッドが通る軸孔；
   −前記ロッド担体（２０）の外側表面に少なくとも前記ロッド担体（２０）の長さの一部に沿って形成されるねじ部（４２）；及び
   −使用時に力を前記ロッドに伝えるためのロッド支持面（１８）；を有する前記ロッド担体（２０）と、
   −前記ねじ部（４２）に嵌められる締付けナット（２２）であって、使用時に前記サスぺンションブラケットに対し前記円筒状ロッド担体を前記ロッド支持面（１８）の方向に押し付け前記ロッドを引っ張る前記締付けナット（２２）と、を有し、
   前記ロッド担体（２０）の前記軸孔は、所定の許容可能な角度不整合の範囲にわたり前記ロッドにゆとり与えるためのテーパー（３８）を有することを特徴とするクライオスタット。
2. 前記引っ張り支持手段（３４）はさらに、前記締付けナット（２２）と前記ロッド支持面（１８）との間で前記ねじ部に嵌められる緩み止めナット（２４）を有することを特徴とする請求項１に記載のクライオスタット。
3. 前記引っ張り支持手段（３４）はさらに、使用時に前記締付けナット（２２）と前記サスペンションブラケット（３２）との間に位置するワッシャー（４０）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のクライオスタット。
4. 前記引っ張り支持手段（３４）はさらに、ロッド端部（１４）と、ロッド担体（２０）内に設けた内部保持用の空洞であって使用時に前記ロッド（１０）の端部を収納する空洞とを有し、前記ロッド端部は、貫通孔を有し使用時に前記ロッド（１０）がその貫通孔を貫通するようになっており、かつ前記ロッド端部は、前記円筒状ロッド担体の前記ロッド支持面（１８）で支持されるための端部支持表面（１６）を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のクライオスタット。
5. 前記ロッド端部（１４）は前記ロッド担体（２０）の前記端部に相補的なロッド支持面（１８）と当接する球形表面を有することを特徴とする請求項４に記載のクライオスタット。
6. 前記ロッド担体（２０）は、使用時に前記サスペンションブラケット（３２）のスロット（３６）の側面に接触して前記ロッド担体の回転を防止する成形内端（２６）を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のクライオスタット。
   

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