JP6700479B2 - 熱放射スクリーン付磁石システム - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴検査システム用の磁石システムに関する。磁気システムは、超伝導巻線を有する主磁石コイルを有する。主磁石コイルは熱放射スクリーンに囲まれている。磁石コイル巻線をそれらの超伝導臨界温度以下に冷却するために冷却システムが設けられている。

本発明は、磁気共鳴検査システム用の主磁石システム用の熱放射スクリーンに関する。

米国特許第５，６５１，２５６号から、真空エンクロージャによって囲まれた熱シールドによって囲まれた超伝導コイルを有する超伝導磁石が知られている。熱シールドは、熱伝導性材料のいくつかの可撓性層を有してもよい。熱シールドの重量の大部分は、超伝導コイルを囲む可撓性の断熱ブランケットによって支えられている。英国特許出願ＧＢ ２ ４６７ ５９６号は、クライオスタット用の熱放射スクリーンを開示している。この公知の熱放射スクリーンは、絶縁プラスチック材料中に埋め込まれた細断金属繊維の導電性充填材料から作られている。導電性トラックからの金属繊維である。これは、渦電流の発生を最小にしながら、必要な熱伝導を提供することを達成する。欧州特許出願ＥＰ１５９６１２１号は、細長い金属要素を有するガラス繊維充填材から形成された熱伝導体を有する熱シールドを開示している。

本発明の目的は、磁石システムのコールドマスへの熱放散を減少させる熱放射スクリーンを提供することにある。

この目的は、本発明によれば、多数の重なり合う細長い熱伝導体を有する磁石システム用の熱放射スクリーンによって達成される。本発明の他の目的は、磁石システムのコールドマスへの熱放散が低減されている超伝導磁石システムを提供することである。本発明のこの更なる目的は、磁気共鳴検査システム用の磁石システムであって、
- 磁気共鳴検査システムの検査ゾーンに主磁場を発生させるための同軸巻線を備える主磁石コイルと、
- 主磁石コイル巻線を超伝導の臨界温度以下に冷却するためのコールドヘッドを有する冷却装置と、
- 主磁石コイルを囲む熱放射スクリーンと、
-熱放射スクリーンと冷却装置との間に熱経路を形成するように配置された熱遮断部であって、熱遮断部はいくつかの位置で放射スクリーンに熱的に接続されている、熱遮断部と
を有する磁石システムによって達成される。

本発明の磁石システムは請求項５に規定されている。

重なり合う細長い熱伝導体、特にストリップ、テープ又はワイヤは、細長い導体を横切るよりも細長い導体に沿ってはるかに高い異方性の熱及び導電率を有する。熱伝導率は、放射スクリーンに達する、磁石の温かい表面からの放射熱による温度勾配を減少させる。異方性導電率は、傾斜磁場コイルの外で不要な磁界が抑制され、それは磁気共鳴検査システムで取得された検査対象からの高周波磁気共鳴信号の空間エンコーディングを妨げる。好ましくは、放射スクリーンと冷却装置との間の１つ又はさらにより好ましくは複数の熱リンクが放射スクリーンから熱を運び去る。

要するに、放射スクリーンは、放射スクリーンに沿った温度勾配を減少させ、渦電流を支持しない細長い熱伝導体を有する。放射スクリーンは製造が容易であり、追加の機械的支持を必要とせず、機械的共振を発生しないので、コールドマスへの熱負荷は低いままである。

放射スクリーンの好ましい実施形態では、（単数又は複数の）電気的に非導電性の不透過層が重なり合う細長い熱伝導体の間に配置されるか、又は重なり合う細長い熱伝導体を覆うように配置される。これらの層はいくらかの熱伝導性を有してもよいが、層の導電特性は渦電流を抑制する。不透過層は、不透過、すなわち赤外波長範囲において不透過である。これらの不透過層は、熱が磁石コイルの超伝導巻線に放射されるのを防ぐ。これらの不透過層は、細長い熱伝導体の間に残される可能性がある開口部を覆い、そこを通って放射が透過し、磁石のコールドマスに電力を蓄積させる可能性がある。熱伝導性不透過層は、細長い熱伝導体と熱的に接触している。このようにして、不透過層が、隣接する熱伝導層よりも温かくならないことが避けられる。これは放射スクリーンに沿った温度勾配をさらに減少させる。非熱伝導性不透過層は、連続した不透過シート上に細長い断熱材を配置することによって形成することができる。これは製造が簡単である。不透過層はそれ自体を支持する単なるシートであり得る。

放射スクリーンのさらに好ましい実施形態では、細長い熱伝導性繊維及び熱絶縁性繊維から形成されたファブリックが適用される。細長い熱繊維は、電気絶縁繊維に対して横方向に配向されている。細長い熱伝導性繊維は放射スクリーンに沿って低い温度勾配を達成する。熱伝導性繊維は互いに電気的に絶縁されているので、渦電流は効果的に抑制される。

本発明の磁石システムは、冷却装置への熱経路を形成する１つ又はさらに好ましくはそれ以上の熱遮断部を備える。好ましくは、冷却装置は多（２）段冷却システムであり得る。熱経路は、放射スクリーンと冷却ステージのうちの１つとの間に構築されるのが好ましい。熱経路を冷却ステージのうちの１つに結合することが好ましい場合があり、それは最低温度を有する冷却ステージでさえない場合がある。しかしながら、放射スクリーンはコールドマスと同じ冷却装置ステージに接続されるべきではない。シールドの目的は、放射熱が最も低い温度で冷却ステージに接続された表面に達するのを防ぐことにある。熱経路は冷却ステージ及び放射スクリーンに沿っていくつかの位置の間を走る。これにより、熱が放射スクリーンから冷却ステージへ運ばれる経路長が短くなる。

これらの熱遮断は、放射スクリーンに沿って温度勾配を低下させることを達成する。これにより、磁石システムのコールドマスへの低消費電力が達成される。熱遮蔽部が放射スクリーンに結合されて熱放射スクリーンと冷却装置との間に熱リンクを形成する位置が多くなるほど、放射スクリーンに沿って冷却ステージまで熱を輸送する必要がある平均経路長は短くなる。

熱遮断部は、放射スクリーンからの熱の放出効率を改善する。この技術的効果は、放射スクリーンに沿って温度勾配を減少させ、渦電流を支持しない細長い熱伝導体を有する放射スクリーンとは独立に実現される。

本発明による放射スクリーンは、磁石コイルが、ヘリウムタンク内に埋め込まれておらず、個々に真空空間内に配置され、それらを冷却装置の最低温度インタフェースに熱的に接続することによって動作（超伝導）温度に保持される磁石システムにおいて好ましくは利用され得る。磁石部分間のいかなる開放空間も、磁石コイルの内側の放射スクリーンの部分と磁石コイルの外側に位置する冷却装置との間の熱的相互接続のための通路を提供する。

熱遮断部は、磁石システムの軸方向中央面内又はその近くで放射スクリーンに結合されることができる。放射スクリーンは主磁石コイルを包含することができる。熱遮断部は、軸方向中央平面の近くの包囲放射スクリーンの端部で結合され、放射スクリーンの中央平面内又はその近く、及び冷却ステージに対向する位置で結合されることができる。このようにして、熱遮断部と放射スクリーンとの間の少数の熱結合部のみが、放射スクリーンから冷却ステージへの短い熱経路を構築するために必要とされる。これは放射スクリーンに沿った温度勾配を低く保つ。

熱遮断部は、磁石コイル巻線と同軸の熱伝導性リングとすることができる。すなわち、熱伝導性リングは磁石システムの長手方向軸に対して横方向に配向されている。熱遮断部のこの実施形態は、磁石コイルの間の軸方向位置に配置された１つ又はいくつかの熱伝導性リングであり得る。熱伝導性リングは、放射シールドと冷却装置との間の熱抵抗を５Ｋ ／ Ｗ未満に維持するのに十分に大きい断面を有するソリッドメタルリングであり得る。リングは、それが完全な閉ループを形成し、主磁場磁石又は傾斜コイルに結合するのを防ぐために、少なくとも1つの中断を有さなければならない。代わりに、熱遮断部は、Ｈｅ蒸気などの対流冷却剤を有する１つ以上の対流ループを含んでもよい。対流ループは、磁石コイルの間に軸方向に配置されてもよい。すなわち、対流ループ、又は熱伝導性リングは、磁石コイル間の軸方向の間隔で軸方向位置に配置されることができる。

別の実施形態では、断熱ブランケットが少なくとも部分的に主磁石巻線を囲み、放射スクリーンが断熱ブランケットに埋め込まれている。

本発明の放射スクリーンは機械的に弱く一方向において電気的に非導電性である。したがって、磁石システムの傾斜コイルスイッチングによって機械的に励起された場合、磁石のコールドマスに追加の消費はまったく又は少ししか発生しない。さらに、機械的可撓性及び小さいマスは、熱放射スクリーンを製造するのを容易にする。異方性導電率は、傾斜スイッチングによる渦電流を抑制する。スクリーン内の温度勾配を十分に小さく保つために必要なスクリーンの最小厚さは、スクリーン内で熱を輸送しなければならない距離に強く依存する。導電素子が銅製でシールド内の平均銅厚が0.5 mmの場合、シールドの内側ボアセクション内の温度降下は、5 W / m ²の放射負荷で、10 Kより小さくなる。磁石の長さが1.6 mである場合、中央平面には1つだけの熱遮断部がある。2つの熱遮断部が内側ボアスクリーンの長さの1/4と3/4に位置する場合、必要な平均銅厚は0.15 mmに減少する。

そのような放射スクリーンは、追加の機械的支持を必要とせず、磁石巻線を絶縁するサーマルブランケットに埋め込むことができる。傾斜スイッチングも磁石のクエンチも放射スクリーンに大きな機械力を引き起こさないので、放射スクリーンはそれ自体の軽量を担持するだけでよい。したがって、放射スクリーンは、冷間接合技術のみを使用して取り付けることができ、放射スクリーンの溶接中に隣接する遮蔽層への熱損傷は発生しない。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施形態及び添付の図面を参照して説明されるであろう。

本発明の熱放射スクリーンの一例の概略三次元図を示す。 本発明の熱放射スクリーンの他の例の概略三次元図を示す。 本発明の熱放射スクリーンの一例が組み込まれている磁気共鳴検査システムの磁気システムの一例の概略側面図を示す。 本発明の熱放射スクリーンが組み込まれている磁気共鳴検査システムの磁気システムの他の例の概略側面図を示す。

図１は、本発明の熱放射スクリーンの一例の概略三次元図を示す。放射スクリーン１０５は、細長い熱伝導体の層１０１、１０２を有する。異なる層の細長い熱伝導体はともに、細長い熱伝導体の長さに沿って、及びそれらの長さに対して横方向に、ある程度重なる。熱伝導体が細長いので、複合スクリーンの導電率は異方性であり、長さ方向に沿ってのみ高く、細長い導体に対して横方向に低い。これらは例えばストリップ、テープ、又はワイヤのように形成することができる。異方性導電率は、傾斜スイッチングによる渦電流が抑制されることを達成する。細長い熱伝導体のそれぞれの層の間には、不透過層１０３、１０４が、それぞれの層の細長い熱伝導体の間の（赤外線を通過させる）開口部を閉じるように配置されている。

図２は、本発明の熱放射スクリーンの他の例の概略三次元図を示す。図２の実施形態では、細長い熱伝導体の層は、細長い電気絶縁体の層、例えば非導電性ストリップ、テープまたはワイヤ２０１で積層されている。細長い熱伝導体は熱（赤外線）から遮蔽し、勾配スイッチングによる渦電流を抑制する。細長い電気絶縁体は機械的強度を提供する。図２のように、細長い熱伝導体及び電気絶縁体は不透過な（赤外線用）シート１０３、１０４で覆われていてもよい。変形例では、細長い熱伝導体（例えばワイヤ）及び細長い電気絶縁体（ファイバー）はファブリックや布を形成するために組み合わされる。

図３は、本発明の熱放射スクリーンが組み込まれている磁気共鳴検査システムの磁気システム（の一部）の概略側面図を示す。磁石システムは、対称軸３０８の周りに円筒対称性を有する。回転対称軸を有する平面内の断面のみが対称軸の片側のみに示されている。

磁石システムは、主磁石コイル３０２が支持構造３０６上に取り付けられている外部真空容器３０１内に収容されている。遮蔽コイル３１０も真空容器３０１内に設けられ、熱放射スクリーン１０５によって囲まれている。アクティブシムコイル（図示せず）も真空容器３０１内に設けられ、熱放射スクリーン１０５によって囲まれてもよい。熱放射スクリーン１０５は、磁石コイル３０２の周囲に配置されて、磁石コイルを内側に照射された電力から遮蔽する。主磁石コイルは、多段冷却装置３０３によって超伝導転移温度以下に冷却される。さらに、熱遮断器３０４は冷却装置に熱的に結合されている。熱遮断部は、例えば、主磁石コイルと同軸に、主磁石の中央平面３０７の近くで（対称軸３０８に関して）軸方向に配置された熱伝導性リングである。熱接続部３０５は、熱遮断部と放射スクリーンとの間に設けられている。これらの熱接続部は磁石システムの中央平面の近くに配置されている。好ましくは、熱接続部は、磁石システムの中央平面と、磁石システムの中央平面に軸方向に最も近い主磁石コイルとの間に軸方向に配置される。熱放射スクリーンと熱遮断部（最終的には冷却装置303）との間の熱接続部は磁石システムの軸方向中央平面に近いので、放射スクリーンと冷却装置との間の熱経路長は短く、又は最小に保たれる。これは、熱放射スクリーンに沿った温度勾配が小さく保たれ、熱が熱放射スクリーンから冷却装置へ効率的に短い熱経路に沿って運び去られることを達成する。

図４は、本発明の熱放射スクリーンが組み込まれている磁気共鳴検査システムの磁気システムの他の例の概略側面図を示す。この実施形態では、いくつか（２つ）の熱遮断部３０４が使用される。これらの熱遮断部のそれぞれは、主磁石コイルの間（及びシールドコイルの間）の間隙に軸方向に配置されている。熱接続部３０５は、各熱遮断部と熱放射スクリーンとの間、及び各熱遮断部と冷却装置のステージとの間でリンクする。この構成もまた、熱放射スクリーンから冷却装置へ熱を運び去るための短い熱経路をもたらす。放射スクリーンに対して一つより多くの熱インタフェースがある場合、導電性シールド要素とインタフェースリングとの間に閉ループが形成されるのを避けるように、導電要素と遮断部との間の接続は電気的に絶縁されなければならない。代わりに、シールド内の熱伝導要素は、閉じた伝導経路を中断するように、熱インタフェースリング間の中間点で切断され得る。

本発明の１つの特定の目的は、循環（渦）電流が抑制されるように導電率を異方性にし、シールドの間の温度勾配が約２０Ｋより小さく保たれるようにシールドにちょうど十分な材料を使用することにある。異方性導電性は、互いに電気的に絶縁され、主に磁石の軸方向に延びる多数のテープ又はワイヤからシールドを構成することによって達成することができる。シールドは、これらの導電要素を重ね合わせることによって、及び／又は導電要素に熱的に接続される非導電性の不透過層を追加することによって、赤外放射に対して不透過にされるべきである。代わりに、一方向に熱伝導性繊維を使用し、垂直方向に非伝導性繊維を使用してファブリックとして製造することができる。熱がシールドを通って熱遮断部に向かって移動しなければならない距離を最小にするために、冷却装置に接続される少なくとも１つの環状サーマルバスを、磁石の中央平面の、又はその近くのスクリーンの内部ボア部分に設けることは有利である。磁石の半分の長さを0.75mと仮定すると、導電要素が平均厚さ0.3 mmの銅で作られている場合、5W / m²の放射熱負荷は、15Kの最大温度降下でスクリーンの内部ボア部分から伝導されることができる。そのようなスクリーンは、それが追加の機械的支持を必要としないほど十分に軽量であろう。それは単に多層絶縁体の層間に埋め込むことができる。スクリーンの外側部分も同様に構成することができ、磁石の中央平面に配置される第２の環状熱遮断部に熱的に接続することができる。ここで、２０Ｋ未満の最大温度勾配は、１ｍｍ（銅）未満のシールド内の導電要素の合計厚さで達成することができる。磁石の傾斜操作もクエンチもシールドに大きな機械的な力を引き起こさず、それゆえ、シールド又はシールドを支えるものは、それ自身の重さを支えるだけでよいことは注意される。スクリーンの内側部分と外側部分とが接する熱的／機械的接合部は不要であり、この点で放射窓が開かれたままにならないように（例えば、重ね合わせるか又は接着テープを使用することによって）保証するのに十分である。したがって、抵温接合技術を使用してシールドを設置することが可能であり、技術者からのいかなる特別な技術を必要とせず、磁石組み立て中の絶縁システムの隣接層への熱損傷を回避することができる。

磁石の中央平面に配置される少なくとも１つのサーマルバスによって放射スクリーンの磁石ボア部分から熱を抽出することは有利であるが、このサーマルバスがどのように構成され得るかは詳述されない。予想される５乃至１０ワットの熱が伝達されるためには、銅の棒又はブレイドからなる熱リンクが実現可能であるが、大量の熱伝導材料を必要とするであろう。

従来のクライオフリー磁石の概念において熱が磁石コイルから除去される方法と同様に、対流ヘリウムループによって放射スクリーンから熱を抽出することは有利である。そのような対流ループは、放射スクリーンの周りを一周し、放射スクリーンに熱的に固定されるチューブからなる。その上端では、このチューブは冷却装置の最初のステージ（40Kまで）に接続される熱交換器の一部である。チューブはヘリウムガスで満たされている。熱交換器内の冷却ガスはより高い密度を有する。重力によってシールドに向かって流れ落ち、そこで熱が抽出され、ガスが膨張する。

磁石の中央平面内に単一のそのような冷却ループを有する代わりに、少なくとも２つの更なるそのような冷却ループを設置することは有利であり、これらの冷却ループは好ましくは磁石の最も外側のコイルセクションに隣接するギャップに配置される。冷却ループは、低熱伝導率の支持要素によって磁石のコールドマスに機械的に固定されることができる。

冷却ループ間の平均距離が３００ｍｍ以下のオーダーである場合、放射スクリーンの有効厚さは、一軸の銅線のテキスチャから作られる場合、約０．１ｍｍに減らすことができる。

従来の可撓性銅線の束の代わりに、対流ヘリウムループのセットによっても放射スクリーンの外面を冷却装置の第１段に接続することが可能である。ヘリウム充填チューブを使用する利点は、主に重量とコストの削減である。

Claims (9)

1. 多数の重なり合う導電性の細長い熱伝導体を有する磁石システムのための熱放射スクリーンであって、
   - 赤外波長範囲で不透明であり、前記細長い熱伝導体の間に構成されるか、又はそれらを覆うように構成される、少なくとも１つの非熱伝導性不透過層
   を含み、
   - 前記非熱伝導性不透過層は少なくともいくつかの前記細長い熱伝導体と熱的に接触し、
   個々の非熱伝導性不透過層が、連続的な不透過シート上に配置される細長い断熱材から形成される、
   熱放射スクリーン。
2. 熱伝導性繊維及び非導電性繊維から形成されるファブリックを含み、前記熱伝導性繊維は前記非導電性繊維に対して横方向に配向される、請求項１に記載の熱放射スクリーン。
3. 磁気共鳴検査システムのための磁石システムであって、前記磁石システムは、
   - 前記磁気共鳴検査システムの検査ゾーンに主磁場を発生させるための同軸巻線を備える主磁石コイルと、
   - 前記主磁石コイルの前記同軸巻線を超伝導のための臨界温度よりも低く冷却するためのコールドヘッドを有する冷却装置と、
   -前記主磁石コイルを囲む、請求項１乃至２の何れか一項に記載の熱放射スクリーンと、
   -前記熱放射スクリーンと前記冷却装置との間に熱経路を形成するように配置される熱遮断部であって、前記熱遮断部はいくつかの位置で前記熱放射スクリーンに熱的に接続される、熱遮断部と
   を有する、磁石システム。
4. 前記コールドヘッドと前記熱遮断部とは前記磁石システムの軸方向中央平面において、又はその近くで構成され、前記熱遮断部は前記軸方向中央平面において、又はその近くで前記熱放射スクリーンに熱的に接続される、請求項３に記載の磁石システム。
5. 前記熱遮断部は、環状であり、前記主磁石コイルの前記同軸巻線と同軸である、請求項３乃至４の何れか一項に記載の磁石システム。
6. 前記熱遮断部は、対流冷却剤、特にヘリウム蒸気を含む対流ループによって形成される、請求項３乃至５の何れか一項に記載の磁石システム。
7. 前記熱遮断部は、前記主磁石コイルの間の間隙の間の軸方向位置におけるいくつかの対流ループとして形成される、請求項６に記載の磁石システム。
8. 前記主磁石の前記同軸巻線は１つ又は複数の断熱ブランケットによって囲まれ、前記熱放射スクリーンは前記断熱ブランケット内に埋め込まれる、請求項３に記載の磁石システム。
9. 前記熱放射スクリーンは、非構造的であり、多層絶縁ブランケットによって支持される、請求項３乃至８の何れか一項に記載の磁石システム。

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