JP6165267B2 - Ｍｒｉ冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、低圧の流体によって包囲される超電導マグネットを、より高圧の流体を循環させる冷却機により冷却することに関する。

ＭＲＩ（磁気共鳴断層像撮影装置）のクライオスタット（低温維持装置）に使用され、液体ヘリウム槽内で稼働する超伝導マグネット（以下、マグネットという）は、出荷される前に製造工場において冷却され検査を受ける。通常、マグネット内に十分なヘリウムを残すことで、製造工場から使用場所への輸送にかかる３〜５週間にわたり、マグネットは低温に維持される。ヘリウムの大半は輸送中に蒸発するため、最終使用場所において交換する必要がある。

ヘリウム不足の深刻化により、メーカーは、これまでとは異なるヘリウム保存手段を採用することに迫られている。このような手段の１つとして、マグネットを検査した後、マグネットからヘリウムを取り出し、超伝導マグネットを温かくなった状態で輸送することが挙げられる。

使用場所において、マグネットは、ヘリウムを冷却し、該ヘリウムを、真空ジャケット付き搬送ラインを通して、マグネットクライオスタットに循環させる、冷却機クライオスタットの外部コンプレッサからなる冷却機によって、冷却される。現場にてマグネットを冷却するための、ブレイトンサイクルで運転する冷却機はすでに開発されている。このような冷却機は、対向流熱交換器に対して約２ＭＰａの排出圧でガスを供給するコンプレッサを備え、吸気バルブを通して膨張空間へとガスを送り、ガスを約０．８ＭＰａまで断熱膨張させ、排気バルブから膨張ガス（より低温である）を排出し、この低温ガスを、真空ジャケット付き搬送ラインを通して、マグネットクライオスタットまで循環させ、その後、ガスを、対向流熱交換器を通して、コンプレッサに戻すように構成される。

１ＭＰａの高圧ヘリウムにより冷却されるＭＲＩクライオスタットが、最近開発されている。これまでに製造されたＭＲＩマグネットの大半は、０．１ＭＰａ気圧のヘリウムで運転し、最大０．２ＭＰａにまで耐えるように設計されている。本発明の目的は、０．２ＭＰａ以下の圧力に耐え、ブレイトンサイクル冷却機からの出力が約０．８ＭＰａである、マグネット冷却手段を提供することである。

２０１１年３月３日付けでＲ．Ｃ．Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈにより出願された米国特許出願の公開公報第２０１１／０２１９８１０号は、ブレイトンサイクルで運転する往復運動式膨張エンジンを開示するが、この往復運動式膨張エンジンのピストンは、機械的ドライブ機構または高圧と低圧の間で変化するガス圧により駆動されるドライブステムを高温側に備え、ピストンの作動中、このドライブステム周辺のピストン高温側の圧力は、ピストン低温側の圧力と本質的に同圧となるように構成されている。

２０１１年１０月４日付けでＲ．Ｃ．Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈにより出願された米国特許出願の公開公報第２０１２／００８５１２１号は、第２０１１／０２１９８１０号公報に記載されたブレイトンサイクルで運転する往復運動式膨張エンジンに関して、ＭＲＩマグネットを極低温へと冷却する時間を最小限にするためのその制御について開示している。

２０１１年５月１２日付けでＳ．Ｄｕｎｎなどにより出願された米国特許出願の公開公報第２０１２／０２８５１８１号は、第２０１１／０２１９８１０号公報に開示されたブレイトンサイクルエンジンの高温側へのガスの流れを制御する手段を開示している。

ブレイトンサイクルで運転するこれらのエンジンは、高圧２ＭＰａおよび低圧０．８ＭＰａにおいては、十分に機能するが、低圧０．１ＭＰａでは十分に機能しない。このタイプのエンジンを使用する最も良い方法は、第２の冷却回路にヘリウムを約０．１ＭＰａで循環させ、ブレイトンサイクル冷却機により冷却された熱交換器にマグネットから熱を移動させることである。

約０．１ＭＰａのヘリウムを用いてＭＲＩマグネットを冷却する方法の１つは、Ｋｕｄａｒａｖａｌｌｉによる米国特許第６，９２３，００９号に開示されている。この装置は、常温のサーキュレータと、戻りガスで供給ガスを予冷却する対向流熱交換器と、液体窒素により冷却された熱交換器と、低温ガスがマグネットを通って流れることを可能にするラインを備える。

Ｊ．Ｆ．Ｍａｇｕｉｒｅなどによる米国特許第６，３４７，５２２号は、１以上の冷温熱交換器を冷却する１以上の冷却機と、前記冷温熱交換器で冷却される約０．１ＭＰａのヘリウムの第２の回路と、冷却機クライオスタット中の第２の回路中のサーキュレータと、マグネットなどの遠隔熱負荷を通って低温ガスが流れることを可能にするラインと備える、遠隔熱負荷を冷却する装置を開示している。

Ｊ．Ｆ．Ｍａｇｕｉｒｅなどによる米国特許第６，６２５，９９２号は、米国特許第６，３４７，５２２号に開示の装置から、サーキュレータを冷却機クライオスタット内に設けるという制限を除いた装置を開示している。

２００７年３月１６日付けでＥ．Ａｓｔｒａにより出願された米国特許出願の公開公報第２００７／０２１４８２１号は、ＭＲＩクライオスタットのネックチューブに設けられた冷却機を有することにより、低温側はマグネットを冷却するヘリウムガスと接触し、冷却されたヘリウムは自然対流あるいはいくつかのタイプのうちひとつのファンにより循環される、ＭＲＩマグネットを開示している。

Ｒ．Ｃ．Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈによる米国特許第５，４６１，８７３号は、チューブが配置されることによりマグネットが自然対流によって冷却される、ＭＲＩクライオスタットのネックチューブに設けられた冷却機を開示している。Ｒ．Ｃ．Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈによる米国特許第４，４８４，４５８号は、ＭＲＩクライオスタットのネックチューブに設けられ、低温側でヘリウムを濃縮し滴下させることによりヘリウムを循環させるフィンチューブ熱交換器を有する冷却機を開示している。

超伝導ＭＲＩマグネットあるいは他の物体を冷却するために大気圧付近のヘリウムガスを用いる冷却装置は、４．３Ｋあるいはこれ以上の温度を提供することができる。今日のＭＲＩマグネットの大半は、約４０Ｋにおいて約４０Ｗ、４．２Ｋにおいて約１Ｗの冷却を提供する、ネックチューブ中にあるいはネックチューブと平行に設けられた冷却機により冷却された後、低温に維持されている。

これに対して、第２０１２／０２８５１８１号公報に開示されたブレイトンサイクルエンジンを用いたＭＲＩマグネットを冷却するために設計された冷却機は、２５０Ｋにおいて１５００Ｗ以上、１００Ｋにおいて５００Ｗ以上の冷却を行う。この冷却機は、ＭＲＩクライオスタットのネックチューブに対しては大きすぎるが、マグネットに０．８ＭＰａの冷温ヘリウムを供給する代わりに、ネックチューブ内の熱交換器を通して冷温ヘリウムを循環し、その後、約０．１ＭＰａでマグネット内のヘリウムの冷却に使用することができる。熱交換器は、冷却前にネックチューブに挿入され、ＭＲＩマグネットが約５０Ｋまで冷却された後に取り除かれる。熱交換器を収容するにはネックチューブが小さすぎる場合には、ネックチューブに取り外し可能に挿入される別の熱交換器クライオスタット内に熱交換器を収容することが可能である。

米国特許出願公開第２０１１／０２１９８１０号公報 米国特許出願公開第２０１２／００８５１２１号公報 米国特許出願公開第２０１２／０２８５１８１号公報 米国特許第６，９２３，００９号公報 米国特許第６，３４７，５２２号公報 米国特許第６，６２５，９９２号公報 米国特許出願公開第２００７／０２１４８２１号公報 米国特許第５，４６１，８７３号公報 米国特許第４，４８４，４５８号公報

本発明は、連結熱交換器とサーキュレータと組み合わされて、約２ＭＰａおよび約０．８ＭＰａにおいて作動し、室温から約５０Ｋまで約０．１ＭＰａのヘリウムによりマグネットを冷却する、高容量のブレイトンサイクル冷却機を提供する。

前記連結熱交換器は、ＭＲＩクライオスタット内のヘリウムのために配置され、冷却機からのヘリウムを対向流熱交換器内に流すための、スリーブ内のフィンチューブのコイルにより構成される。

ヘリウムは、流量可変サーキュレータにより前記熱交換器を強制的に通じさせられ、該流量可変サーキュレータは、ブレイトンサイクル冷却機からのヘリウムと前記マグネットを冷却するヘリウムとの間で、ほぼ一定の温度差を維持する。

前記冷却機の冷却コンポーネントは、前記ＭＲＩクライオスタットから、真空ジャケット付き搬送ラインにより分離された、冷却機クライオスタット内に収容される。前記熱交換器およびサーキュレータは、前記ＭＲＩクライオスタットに対して着脱可能な前記搬送ラインの前記ＭＲＩクライオスタット側の端部に配置される。

図１は、マグネットを冷却するために、エンジンから真空ジャケット付き搬送ラインを通って、ＭＲＩクライオスタットに約０．８ＭＰａでチューブを流れる冷温ヘリウムを循環させる、先行技術のブレイトンサイクル冷却機を示す図である。 図２は、エンジンからの冷温ヘリウムを約０．８ＭＰａで真空ジャケット付き搬送ラインに通し、ＭＲＩクライオスタットのネックチューブ内の連結熱交換器に循環させる、ブレイトンサイクル冷却機を示す図である。ＭＲＩクライオスタット内にも設けられているサーキュレータは、熱交換器およびヘリウムがマグネットを冷却するＭＲＩクライオスタットを通じるように、圧力が約０．１ＭＰａのヘリウムを流す。 図３は、フィンチューブの二層コイルであるネックチューブ熱交換器の好ましい実施形態を示す図である。 図４は、エンジンからの冷温ヘリウムを約０．８ＭＰａで真空ジャケット付き搬送ラインに通し、ＭＲＩクライオスタットのネックチューブ内に収容される延長部を有するクライオスタット内の熱交換器に循環させる、ブレイトンサイクル冷却機を示す図である。熱交換器クライオスタット内にも設けられたサーキュレータは、熱交換器およびヘリウムがマグネットを冷却するＭＲＩクライオスタットを通じるように、圧力が約０．１ＭＰａのヘリウムを流す。

図１〜図４に示したコンポーネントに関して、同じ部品に対しては同一の番号および表示を使用している。低温ガスは高温ガスよりも濃いため、前記コンポーネントの大半は、低温側が下方になるよう示されている。極低温下（１２５Ｋ未満）にあるコンポーネントは、ハウジング内において真空（０．１Ｐａ未満）により周囲から断熱されており、そのアセンブリはクライオスタットと呼ばれる。本装置は、冷温冷却コンポーネント用クライオスタット、冷温ＭＲＩコンポーネント用クライオスタットと、選択的に冷温連結熱交換器用クライオスタットを備える。

図１は、真空ジャケット付き搬送ライン１０および１１によりＭＲＩクライオスタット２００に接続された、ブレイトンサイクル冷却機を備えるＭＲＩマグネットを冷却する先行技術を模式的に示した図である。ヘリウムは、低圧Ｐｌ（約０．８ＭＰａ）でライン２を通ってコンプレッサ１に戻り、ライン３内に高圧Ｐｈ（約２ＭＰａ）で排出される。高圧ガスは、熱交換器ＨＸ４を通じて、ライン１５からの戻り低圧ガスにより冷却された後、吸気バルブＶｉ６を通って拡張エンジン５に送り込まれ、排気バルブＶｏ７を通ってライン１４に流れる。これらの冷温コンポーネントは、真空容器８に収容され、冷却機クライオスタット１００を構成する。ＭＲＩクライオスタット２００は、真空容器２３と、マグネットコンテナ２０と、冷却チューブ２２を備える。ライン１４からの冷温ヘリウムは、チューブ２２を冷却するため、両端に差込連結器１２を有する真空ジャケット付き搬送ライン１０を通って流れ、両端に差込連結器１２を有する真空ジャケット付き搬送ライン１１を通って冷却チューブ２２からライン１５に流れる。冷却チューブ２２は、ブレイトンエンジン５からの出力圧以上の圧力である１ＭＰａまで耐えることができる。

図２は、図１に示したブレイトン冷却機と同様のブレイトン冷却機を模式的に示した図であるが、約０．８ＭＰａの冷温ヘリウムは、搬送ライン１０からネックチューブ２１内の連結熱交換器３１を通って流れた後、搬送ライン１１を通って冷却機クライオスタット１００に戻る。ヘリウム２６は、約０．１ＭＰａで熱交換器３１により冷却された後、サーキュレータ３０によりマグネットコンテナ２０内を循環させられる。搬送ライン１０および１１は、図１に示した別個の真空ジャケット、あるいは、図２および図４に示した共通の真空ジャケット１３に収容される。連結熱交換器３１、スリーブ３４、およびサーキュレータ３０は、搬送ライン１０および１１とその容器１３にすべて接続され、ネックチューブ２１に対して挿入および取り外し可能になっている。

連結熱交換器３１の構成の１例について、その詳細を、フィンチューブ熱交換器３２として図３に示した。フィンチューブの二層中における別個の２つのコイルは、スリーブ３４内で、心棒３３に巻き付けられた状態で図示されている。ブレイトンサイクル冷却機からのライン１４中の低温ガスは、フィンチューブの各コイルの底端から流入し、各コイルの上端からライン１５に戻る。ヘリウム２６は、サーキュレータ３０により熱交換器３２から引き出され、対向流熱交換の関係により冷却される。ヘリウム２７は、ＭＲＩマグネットを循環し、温度が上昇した状態でネックチューブ２１に戻る。ヘリウム２７は、ネックチューブ２１およびスリーブ３４間の環状の隙間内を上昇して流れ、熱交換器３２の上端に流入する。

表１は、外径が８０ｍｍ、長さが１１４ｍｍ、ブレイトンサイクル冷却機からのヘリウム流量が５．５ｇ／秒であり、０．１５ＭＰａのヘリウム５．０ｇ／秒をＭＲＩマグネットに循環させるフィンチューブ熱交換器３２の熱交換の関係の例を示すものである。

表１ 計算上の熱交換性能例
ＭＲＩマグネットからのＨｅ２７の温度（Ｋ） 300 93
ＭＲＩマグネットへのＨｅ２６の温度（Ｋ） 246 76
ライン１５内の熱交換器３２からの温度（Ｋ） 280 85
ライン１４内の熱交換器３２への温度（Ｋ） 231 70
冷却（Ｗ） 1,470 620
サーキュレータ３０の流量（ｇ／秒） 5.0 5.0
熱交換器３２内のフィン通過による圧力降下（ｋＰａ）8.1 1.8

マグネットが冷却された後、搬送ライン１０および１１と熱交換器３２は、ネックチューブ２１から取り除かれ、マグネットを冷温に維持する膨張器と交換される。現在使用されている膨張器はＧＭサイクルで運転し、第１ステージの直径は約１００ｍｍである。ネックチューブの直径はこれよりもやや大きい。

図４は、図１および図２に示したブレイトンサイクル冷却機と同様であり、ＭＲＩクライオスタット２０２内のマグネットを冷却するブレイトンサイクル冷却機を模式的に示した図である。安定した状態では、ＭＲＩマグネットは、ネックチューブ２１内ではなく、真空ハウジング２３に直接設けられた冷却機２５により冷却される。冷却機２５は、約４０Ｋの温かいシールドに取り付けられた第１ステージと、約４．２Ｋのマグネットコンテナ２０に取り付けられた第２ステージとを備える。この設計では、ネックチューブ２１の直径は小さすぎるため、連結熱交換器３１を収容できない。この問題は、ネックチューブ２１上に位置する独立した連結熱交換器クライオスタット３００内に熱交換器３１を設置し、マグネットコンテナ２０に伸長するチューブ３６に冷温ヘリウム２６を下流させることで解消することができる。マグネットを冷却して温かくなったヘリウム２７は、チューブ３６と差込口３７の内側チューブとの間の環状隙間を通って、熱交換器３１の上部へと上昇した後、スリーブ３０の外側とシェル３５の内側との間の間隙を流れる。差込口３７の内側および外側壁間の真空は、シェル３５周辺にまで伸長し、チューブ１３を通して冷却機クライオスタット１００中の真空まで伸長している。代替的には、図１に示したように、搬送ライン１０および１１に真空ハウジングを設け、クライオスタット３００にも別の真空を設けてもよい。

上記説明は、ＭＲＩマグネットおよびクライオスタットに関するものであるが、この説明は同様のクライオスタット内で冷却される物体すべての一例の説明である。この場合、クライオスタットはＭＲＩクライオスタットの代わりに物体クライオスタットという。ピンフィンを備えたチューブなど、連結熱交換器の他の実施態様も、本願の特許請求の範囲に含まれる。

１ コンプレッサ
２ Ｐｌ（低圧）
３ Ｐｈ（高圧）
４ ＨＸ（熱交換器）
５ エンジン
６ Ｖｉ（吸気バルブ）
７ Ｖｏ（排気バルブ）
１００ 冷却機クライオスタット
２２ 冷却チューブ
２００ ＭＲＩクライオスタット
２１ ネックチューブ
２０１ ＭＲＩクライオスタット
３０ サーキュレータ
３２ フィンチューブＨＸ（熱交換器）
２５ 再濃縮冷却機
２６ ヘリウム
２０２ ＭＲＩクライオスタット
３００ ＨＸクライオスタット

Claims (5)

1. 物体を極低温に冷却するための装置であって、
   第１の圧力で冷温ヘリウムの第１の流れを出力する、ブレイトンサイクル冷却機と、
   前記冷却機の低温部品を収容する冷却機クライオスタットと、
   ヘリウムの第２の流れからの熱を、第２の圧力で前記第１の流れに移動させる、連結熱交換器と、
   冷却された物体を含む物体クライオスタットを通して前記第２の流れを循環させるサーキュレータと、
   を備え、
   前記連結熱交換器および前記サーキュレータが、前記物体クライオスタットのネックチューブ内に取り外し可能に挿入されているか、あるいは、前記物体クライオスタットのネックチューブ上に位置する独立した連結熱交換器クライオスタット内に設置されている、装置。
2. 前記物体クライオスタットが、ＭＲＩクライオスタットである、請求項１に記載の装置。
3. 前記連結熱交換器は、フィンチューブの１以上の層からなるコイルであり、前記第１の流れは前記チューブ内を流れ、前記第２の流れは、対向流熱交換関係において軸方向に前記フィンチューブを通って流れる、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の圧力が、前記第２の圧力より少なくとも３倍大きい、請求項１に記載の装置。
5. 物体を極低温に冷却するための方法であって、
   ブレイトンサイクル冷却機からの冷温ヘリウムの第１の流れを、第１の圧力で連結熱交換器に出力し、
   前記連結熱交換器において、ヘリウムの第２の流れからの熱を第２の圧力で前記第１の流れに移動させ、
   前記第２の流れ中のサーキュレータを用いて、冷却される物体を含む物体クライオスタットを通して前記第２の流れを流し、
   前記連結熱交換器およびサーキュレータを、前記物体クライオスタットに取り外し可能に接続する、方法。

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