JPS60243545A - 水平形低温槽貫入孔插入体およびアセンブリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発　明　の　背　景 本発明は、低温槽（特に冷却材として液体ヘリウムを使
用した低温槽）の内壁と外壁との間に伸びている水平形
貫入孔に関するものである。更に詳しく言えば本発明は
、このような貫入孔用の挿入体およびかかる挿入体を使
用した水平形貫入孔アセンブリに関する。

核磁気共鳴（ＮＭＲ）イ°−メージング技術に従って医
学診断用の像を形成する際には、時間的に安定かつ空間
的に均質な磁界を得ることが必要である。臨界転移温度
よりも低い温度に維持された超伝導性電気材料の使用は
、かかる磁界を生み出すだめの有利な手段を提供する。

そのため、かかるＮＭＲイメージング装置においては低
温槽が使用される。低温槽の最も内側の室内には、超伝
導性材料を冷却するために、たとえば液体ヘリウムが含
まれている。低温槽本体は通例トロイダル形の構造物を
成していて、所望の真空状態および熱遮蔽を達成するた
め外部容器の内側に他のトロイダル形部材が入れ予成に
配置されている。

ＮＭＲイメージングにおいて使用される主磁石コイル、
各種の補正コイルおよび各種の勾配コイルには電気エネ
ルギーを供給することが必要であるから、低温槽の容器
壁を貫通する少なくとも１個の貫入孔が存在することが
必要とされる。典型的な従来の貫入孔は、垂直形のもの
であった。しかるに、製造上の観点から見ると、垂直形
貫入孔の構造は整列および組立に関して望ましくない問
題を含んでいた。しかしながら、水平形の低温槽貫入孔
は熱効率上の理由から採用されていなかった。詳しく述
べれば、液体ヘリウムのごとき冷却材については、密度
が温度に大きく依存する傾向が認められる。従って、垂
直形貫入孔の内部に見出されるヘリウム蒸気は貫入孔の
下部から上部にわたって密度変化の結果として自然に層
状を成して配置される。このような層状配置は、垂直形
貫入孔の長さ方向に沿って自然の断熱効果をもたらす。

すなわち、かかる貫入孔の縦軸線に沿ったいかなる位置
においても、横断面内の温度分布は実質的に一定である
。しかるに、水平形の低温槽貫入孔に関しては事情が異
なる。なぜなら、層状配置が起こるにしても、それは低
温槽貫入孔の縦軸線の方向に沿って起こるわけではない
からである。

従って、貫入孔に沿って存在する温度勾配のため、貫入
孔内部の蒸気中には自由対流の流れが発生する傾向があ
る。その結果、所望されるよりも追かに急速な冷却材の
損失が生じるのである。ヘリウムの価格は比較的高いか
ら、このような冷却材の損失は望ましくないことがわか
る。

その上、まだ十分に解明されていない現象の結果として
、低温槽内の超伝導巻線が突然に超伝導状態から普通の
抵抗性状態に転移することがあり得る。このような情況
下では、コイル内に含まれる電気エネルギーは巻線の抵
抗加熱（１２Ｒ）として急速に散逸する。その結果、内
部のヘリウム蒸気圧が急速に上昇することがあるから、
いかなる低温槽貫入孔にも圧力解放手段を設けなければ
ならない。

更にまた、低温槽の最も内側の容器と最も外側の容器と
の間には真空状態が維持されている。もし何らかの理由
でこの空間内の真空が失われると、やはり冷却材の蒸気
圧の上昇が生じることがある。

このような理由によっても、低温槽貫入孔には圧力解放
手段を設けることが望ましい。

このように、冷たいヘリウムと温かいヘリウムとの間に
は大きな密度差が存在するため、水平形の低温槽貫入孔
内には自由対流の二次流れが容易に生じることがわかる
。このような流れは、水平形質入孔の熱効率を著しく低
下させる。また、貫入孔に発泡材を高密度に充填したり
、あるいは蒸気冷却された熱効率の良い吹出しプラグを
装備したりしても、蒸気冷却された通路内における霜の
付着によって容器の圧力開放が妨げられることがある。

それ故、ＮＭＲ装置用の水平形低温槽貫入孔は自由対流
を抑制するような熱効率の良い挿入体を必要とすること
がわかる。かかる挿入体はまた、磁石の急冷や真空の喪
失の場合に容器内部の圧力を開放するのに十分な排気空
間を与えるものでなければならない。

発　明　の　概　要 本発明の好適な態様に従えば、（ａ　）薄肉の管、（ｂ
）その管を実質的に満たしながらその内部に配置された
複数の発泡材プラグ、および（Ｃ）それらの発泡材プラ
グの間に配置された複数の熱伝導性的パッチからなる水
平形低温槽貫入孔用の挿入体が提供される。上記の熱伝
導性的パッチは、挿入体の中心軸線と実質的に直角を成
す任意の横断面内において実質的に一定の温度を与える
のに役立つ。本発明の別の好適な態様に従えば、内側の
容器壁および最も外側の容器壁を有する低湿横用の水平
形貫入孔アセンブリが提供される。かかる貫入孔アセン
ブリは、内側の容器壁の開口および最も外側の容器壁の
開口を少なくとも部分的に貫通しかつそれぞれの容器壁
密封状態で接合された外側導管を含んでいる。この水平
形貫入孔アセンブリにはまた、外側導管と実質的に同軸
に配置された内側導管、および内側導管と外側導管との
間にらせん状パターンを成して配置されることによって
低温槽の内部空間と流通状態にあるらせん状の流路をこ
れらの導管の間に形成する少なくとも１本のひも状封止
材も含まれる。かかる内側導管は上記の挿入体を含むこ
とが好ましい。その場合、この挿入体は内側導管の内部
に直接に配置されるのであって、破裂円板が破裂した際
には貫入孔から挿入体が放出されるようになっているこ
とが好ましい。このような水平形貫入孔アセンブリはま
た、外部フランジと組合わせて着脱自在の単一ユニット
を構成することもできる。本発明の低温槽貫入孔は、引
込み可能でない形式の電気リード線を用いた装置または
最も内側の容器の内部に接触面を有する電気リード線を
用いた装置において特に有用である。

このように、本発明の目的の１つは容器の圧力を高い信
頼度で解放し得るような熱効率の良い低温槽貫入孔用挿
入体および貫入孔アセンブリを提供することにある。

また、自由対流の二次流れが、生じない低温槽貫入孔を
提供することも本発明の目的の１つである。

更にまた、挿入体を配置する通路内における霜の付着に
よって妨害を受けることのない低温槽貫入孔用挿入体を
提供することも本発明の目的の１つである。

本発明の要旨は前記特許請求の範囲中に明確に指摘され
ている。とはいえ、本発明の構成や実施方法ならびに上
記以外の目的や利点は、添付の図面を参照しながら以下
の説明を読むことによって最も良く理解できよう。

３、発明の詳細な説明 本発明の好適な実施の態様を第１図に示す。詳しく述べ
れば、第１図に示されているのは水平形の低温槽貫入孔
構造物であって、その中には２っの明確に区分可能なア
センブリが含まれている。

これら２つのアセンブリを構成Ｊる個々の要素を以下に
詳しく説明する。現時点では、これら２つのアセンブリ
が低温槽本体の定置部分および本発明に基づく着脱自在
の挿入体アセンブリから本質的に成るとだけ述べておく
。

まず最初に、低温槽本体の定置部分を構成する要素を考
察しよう。詳しく述べれば、低温槽は内側の容器壁３７
と、フランジ３１を具備した最も外側の容器壁３３を含
んでいる。動作時には、これらの壁の間に真空状態が維
持される。第１図はまた、最も外側の容器壁３３に開口
３４が設けられており、その間口３４を通して本発明の
貫入孔アセンブリが配置されていることをも示している
。

なお、第１図には最少限の数の容器壁が示されているが
、様々な低温槽設計条件に応じて入れ予成の中間容器壁
を設けてもよいことを理解すべぎである。熱による膨張
収縮効果に対処するため、最も外側の容器壁３３とフラ
ンジ３１との間にはベロー３２が配置されているのが通
例である。壁３３および３７の各々には、水平形員入孔
を形成するための開口が整列状態で形成されている。更
に詳しく述べれば、壁３７の開口内にはカラー３６が配
置され、そして例えば溶接により壁３７に対して封止さ
れている。内側の容器壁３７およびカラー３６は、アル
ミニウムのごとき材料からなるのが通例である。フラン
ジ３１を具備した最も外側の容器壁３３は、ステンレス
鋼のごとき熱伝導率の小さい材料から成るのが通例であ
る。最後に、第１図に示されるごとく、壁３７および３
３の開口を少なくとも部分的に貫通している外側導管３
０も低温槽本体の定置部分に含まれる。なお、外側導管
３０は壁３７および３３に対して密封状態で接合されて
いる。特に壁３７について言えば、外側導管３０はカラ
ー３６を介して壁３７に接合されている。かかる外側導
管３０は、ステンレス鋼のごとき熱伝導率の小さい材料
から成るのが通例である。以上の説明かられかる通り、
壁３３および３７、カラー３６ならびに外側導管３０は
、本発明の挿入体および貫入孔アセンブリを設置するだ
めの低温槽定置部分を構成する。

第１図中残りの部材は本発明の挿入体および貫入孔アセ
ンブリを構成するものである。挿入体そのものは発泡材
プラグ１５、熱伝導性筋パッチ１６、および薄肉の管１
ｒから成るが、これらについては後で詳しく考察する。

更に、フランジ１４および２２を具備した外側カラー２
１が設けられる。詳しく述べれば、フランジ１４は最も
外側の容器壁３３のフランジ３１に接触している。フラ
ンジ１４は、例えば図示のごときボルトにより、フラン
ジ３１に対して密封状態で保持されてる。

とは言え、その他通貨の締付は手段を使用することもで
きる。また、図示のごとくフランジ１４の環状溝内に配
置されたＯリング２５によっても封止機能が達成される
。カラー２１はまたフランジ２２を具備していることが
好ましく、そのフランジ２２に対し破裂円板２０が環状
座金１８によって保持されている。環状座金１８それ自
体は、例えば図示のごとぎボルトにより、フランジ２２
に対して締付けられている。この場合にもまた、その他
通貨の締付は手段を使用することができる。

なお、カラー２１の開口内に内側導管１２が密封状態で
配置されている点に注意することが肝要である。かかる
内側導管１２は、外側導管３０と実質的に同軸に配置さ
ている。なお、内側導管１２はステンレス鋼のごとき熱
伝導率の小さい材料から成ることが好ましい。とは言え
、薄肉のガスケット材料を使用することもできる。

第１図に示された本発明のもう１つの重要な特徴は、内
側導管１２と外側導管３０との間に実質的にらせん状の
パターンを成して配置されたひも状の封止材１３が内側
導管１２の外面を取巻いていることである。封止材１３
はガスケット材料から成っていてもよいし、あるいは単
に一定の長さのより糸から成っていてもよい。更にまた
、第１図は封止材１３が内側導管１２の周囲に実質的に
一様に配置されていることを示しているが、封止材１３
が可変ピッチのらせん状パターンを成すように配置する
ことも望ましい。詳しく述べれば、らせん状パターンの
ビッヂが内側の容器壁３７がら最も外側の容器壁３３に
向かって増加するように封止材１３を配置することが可
能である。また、単一のらせん状パターンを成すように
封止材１３を配置することが可能である一方、二重また
は三重のらせん状パターンを成して配置された１本以上
の封止材を使用することも可能である。いずれの場合に
せよ、封止材１３は冷却材蒸気が低温槽の内部から外部
へ流れるためのらせん状流路を形成する。詳しく述べれ
ば冷却材蒸気のらせん状流路は第１図中に矢印４１で指
示された点から始まり、そして外側導管３０と内側導管
１２との間隙１１に沿って伸びている。このような形状
の流路を設けることによって幾つかの利点が達成される
。

すなわち、貫入孔の軸線方向に沿った任意の横断面内に
おける温度は実質的に一定となる。このような温度分布
は、貫入孔内の冷却材蒸気に対し自由対流による流路を
形成しないようにする点で有用である。更にまた、冷却
材蒸気は間隙１１の外端から流出し、そして最終的には
矢印３９で示されるごとくカラー２１の開口３８を通っ
て外部環境に排出される。なお、こり流路は（貫入孔の
内部低温端を除き）内側導管１２の内部領域と流通状態
にないことに特に注意すべきである。従って、ｍ１ｌＪ
ｉ１１内で起こる軸線方向および円周方向の流れが内側
導管１２の内部の液体を巻込むことはない。また、内側
導管１２およびらせん状に配置された封止材１３ととも
にカラー２１を低温槽の貫入孔に対して装着したり取外
したりできることにも注意されたい。このような取外し
は、通例、低温槽内部の回路に対する電気的接続を達成
する目的で行われる。

次に、挿入体そのものの構造を考察しよう。詳しく述べ
れば、かかる挿入体は薄肉の管１７を実質的に満たしな
がらその内部に配置された複数の発泡材プラグ１５から
成っていることが認められる。薄肉の管１７はガラスｍ
ｅｎのごとき材料から成るのが通例である。上記の発泡
材プラグ１５は小さい熱伝導率を有するものであって、
薄肉の管１７内に高密度に充填されていることが好まし
い。

なお、発泡材プラグ１５は高さ約１インチの円柱状発泡
スチロール部材から成るのが通例である。

さらにまた、かかる挿入体は発泡材プラグ１５の間に配
置された複数の熱伝導性的パンチ１６をも含んでいる。

これらの箔バッチ１６は厚さ約１〜約１０ミルのアルミ
ニウム箔または銅箔から成ることが好ましい。また、箔
バッチ１６は接着によって発泡材プラグ１５に固定され
ていることが好ましい。更にまた、箔パンチ１６は薄肉
の管１７と熱的に接触するように配置されていることも
望ましい。薄肉の管１７、発泡材プラグ１５および箔パ
ッチ１６から成る挿入体は内側導管１２の内部に配置さ
れるのであって、それの実際の寸法は過圧条件の下で破
裂円板２０を突き抜けて内側導管１２から容易に放出さ
れるように決定される。

このように、かかる挿入体は低温槽の内部と外部との間
の断熱をもたらすと同時に、貫入孔の長さ方向に沿った
様々な位置（すなわち、箔パッチの配置によって決定さ
れた様々な位置）において等温状態を維持することが認
められる。このような局部的な等温状態はらせん状の流
路によって一層増強される。

第１図中に示された部材の幾つかは実際には薄肉部材で
あるが、図解の明確化のために第１図ではそれらの要素
を１本の線で示しである。そこで、本発明において使用
される薄肉部材の（第１図に示されたものと同じ断面の
）拡大断面図を第２図に示す。第２図に示された要素は
いずれも上記に説明した通りのものである。ただし、封
止材１３は内側導管１２に設けられたらせん状の溝の中
に配置されている点に注意されたい。かかる構成は本発
明の貫入孔アセンブリの着脱を容易にする。

なお、同様にらせん状に配置された溝を外側導管３０に
設けることが可能であることも当業者にとって自明であ
ろう。とは言え、それは本発明の好適な実施の態様では
ない。

また、上記の説明は貫入孔が（第３図に示されるごとく
）円形の横断面を有するという仮定に基づいて行われた
が、その他の形状の横断面も実現可能であることは当業
者にとってやはり自明であろう。とは言え、理解および
製造の容易さという点からみれば、円筒状の部材が好適
である。従って、本明細書中で言う「管」とは円形の横
断面を持った部材のみに限定されることはなく、卵形、
楕円形、正方形および類似形状の横断面を持った環状お
よび筒状の部材をも指すのである。

本発明の挿入体には特別の支持部材を設ける必要がない
から、第３図に見られるごとく、薄肉の管１７内の発泡
材プラグ１５は薄肉の管１７が内側導管１２の底部によ
り支持されるようにして容易に配置し得る。このような
配置状態は、第３図の端面図に詳しく示されている。上
記の導管用の熱伝導率の小さい材料としてはステンレス
鋼やガラス繊維複合材料のごときものが挙げられている
が、チタン、ナイロンおよび熱伝導率の小さいプラスチ
ック材料のごときものも使用可能であることを理解すべ
きである。

物理寸法について述べれば、外側導管３０と内側導管１
２との間隙１１は通例約２〜約１０ミルである。また、
薄肉の管１７の頂部に沿った間隙１０の高さは通例約２
〜約５ミルである。また、熱伝導性部パッチ１６の厚さ
は通例約１〜約１０ミルである。

更に詳しく述べれば、最初から箔パッチ１６を具備した
発泡材プラグ１５を製造することも可能である。そのた
めには、例えば、断熱性の発泡材料から成る厚さ１イン
チのスラブに所望の熱伝導性箔が接着される。次いで、
たとえば円形パンチあるいは適当なのこ引きまたは切断
装置を用いることにより、そのスラブから円柱状の断片
が切り出される。このようにすれば、挿入体を容易に組
立てることができる。

ところで、挿入体の回りの蒸気は外部環境に排出されな
いことに特に注意すべぎである。それ故、その空間内に
水蒸気が逆流入して拡散する可能性はない。その結果、
たとえ間隙１１内に霜が生じたとしても、挿入体の回り
の間隙中に霜が生じることはない。このことは、破裂円
板２０が破裂した際に挿入体が自由に放出されることを
保証するものである。

以上のことかられかる通り、本発明の挿入体および貫入
孔アセンブリを用いると、熱効率の良い水平形低温槽貫
入孔が得られる。詳しく述べれば、本発明は貫入孔内に
おける自由対流の二次流れに起因するすべての効果を顕
著に軽減することがわかる。また、本発明は磁石の急冷
や真空の喪失の場合にも冷却材ガスの排出を妨げること
なしに高度の断熱効果をもたらすこともわかる。要する
に、本発明は容器内部の圧力を高い信頼度で開放するよ
うな熱効率の良い水平形低温槽貴人孔用挿入体および貫
入孔アセンブリを提供するものである。

以上、若干の好適な実施の態様に関連して本発明を詳細
に記載したが、数多くの変更態様が可能であることは当
業者にとって自明であろう。それ故、前記特許請求の範
囲は本発明の精神および範囲から逸脱しない限り全ての
かかる変更態様を包括することが意図されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の挿入体および貫入孔アセンブリを示す
側断面図、第２図は第１図に示された貫入孔の小部分の
拡大側断面図、そして第３図は動作状態における挿入体
の配置状態を一層詳しく示す断面図である。 図中１１は間隙、１２は内側導管、１３は封止材、１５
は発泡材プラグ、１６は熱伝導性箔パッチ、１７は薄肉
の管、２０は破裂円板、２１はカラー、２５はＯリング
、３０は外側導管、３１はフランジ、３２はベロー、３
３は最も外側の容器壁、３４は開口、３６はカラー、そ
して３７は内側の容器壁を表わす。 特許出願人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）熱伝導率の小さい薄肉の管、（ｂ）前記管を
   実質的に満たすように前記管の内部に配置された複数の
   発泡材プラグ、および（Ｃ）少なくとも２個の前記発泡
   材プラグの間に配置された複数の熱伝導性部パッチを有
   することを特徴とする水平形低温槽貴人孔用挿入体。 ２、前記箔パッチがアルミニウムおよび銅から成る群よ
   り選ばれた材料から成る特許請求の範囲第１項記載の挿
   入体。 ３、前記箔パッチの厚さが約１〜１０ミルである特許請
   求の範囲第１項記載の挿入体。 ４、前記管がガラス繊維材料から成る特許請求の範囲第
   １項記載の挿入体。 ５、前記箔パッチが前記発泡材プラグに接着されている
   特許請求の範囲第１項記載の挿入体。 ６、前記箔パッチが前記管に熱的に接触している特許請
   求の範囲第１項記載の挿入体。 ７、前記発泡材プラグが前記管の内部に高密度に充填さ
   れている特許請求の範囲第１項記載の挿入体。 ８、前記箔パッチが全ての前記発泡材プラグの間に配置
   されている特許請求の範囲第１項記載の挿入体。 ９、前記管が実質的に円形の横断面を有する特許請求の
   範囲第１項記載の挿入体。 １０、内側の容器壁および最も外側の容器壁を有する低
   温槽用の水平形貫入孔アセンブリにおいて、（ａ　）前
   記内側の容器壁の開口および前記最も外側の容器壁の開
   口を少なくとも部分的に貫通しかつ前記内側の容器壁お
   よび前記最も外側の容器壁に密封状態で接合されている
   外側導管、（ｂ）前記外側導管と実質的に同軸に配置さ
   れた内側導管、および（Ｃ）前記内側導管と前記外側導
   管との間にらせん状パターンを成して配置されて、前記
   内側の容器壁の内部と流通状態にあるらせん状の流路を
   規定する少なくとも１本のひも状封止材を含むことを特
   徴とする貫入孔アセンブリ。 １１、前記封止材が前記内側導管の外面に沿った溝の中
   に配置されている特許請求の範囲第１０項記載の貫入孔
   アセンブリ。 １２、前記らせんのピッチが前記内側の容器壁から前記
   最も外側の容器壁に向かって増加している特許請求の範
   囲第１０項記載の貫入孔アセンブリ。 １３、前記封止材がより糸から成る特許請求の範囲第１
   ０項記載の貫入孔アセンブリ。 １４、前記らせん状流路が前記最も外側の容器壁の外部
   の空間とも流通状態にある特許請求の範囲第１０項記載
   の貫入孔アセンブリ。 １５、複数のひも状封止材が前記内側導管と前記外側導
   管との間に同数のらせん状のパターンを成して配置され
   ていて、両者間に複数の並行したらせん状流路を規定し
   ている特許請求の範囲第１０項記載の貫入孔アセンブリ
   。 １６、前記内側導管に密封状態で取付けた外側フランジ
   が含まれており、このフランジは前記最も外側の容器壁
   にも密封状態で取付は可能である特許請求の範囲第１０
   項記載の貫入孔アセンブリ。 １７、前記フランジに密封状態で取付けられ、かつ前記
   最も外側の容器壁の前記開口と整列するように配置され
   た破裂円板を含んでいる特許請求の範囲第１６項記載の
   貫入孔アセンブリ。 １８、前記フランジが前記らせん状流路と流通状態にあ
   る通路を有し、かつ前記通路は前記最も外側の容器壁の
   外部の空間と流通状態にある特許請求の範囲第１７項記
   載の貫入孔アセンブリ。 １９、前記内側導管の内部に配置された特許請求の範囲
   第１項記載の挿入体を含んでいる特許請求の範囲第１０
   項記載の貫入孔アセンブリ。 ２０、前記挿入体と前記内側導管との間の隙間が約２〜
   約５ミルである特許請求の範囲第１９項記載の貫入孔ア
   センブリ。 ２１、前記内側導管がステンレス鋼、ガラス繊維、チタ
   ンおよびナイロンから成る群より選ばれた材料から成る
   特許請求の範囲第１０項記載の貫入孔アセンブリ。 ２２、前記外側導体がステンレス鋼、ガラス繊維、チタ
   ンおよびナイロンから成る群より選ばれた材料から成る
   特許請求の範囲第１０項記載の貫入孔アセンブリ。 ２３、前記内側導管および前記外側導管が実質的に円形
   の横断面を有する特許請求の範囲第１０項記載の貫入孔
   アセンブリ。 ２４、水平形低温槽貫入孔内において使用すべきＷｌ１
   ２自在の挿入体アセンブリにおいて、（ａ　）開口を有
   するフランジであって、前記フランジの前記開口と整列
   した開口を有する壁に対し密封状態で取付は可能なフラ
   ンジ、（ｂ）前記フランジの前記開口に対し密封状態で
   取付（プられた破裂円板、（Ｃ）前記フランジの前記開
   口内に密封状態で取付けられた導管、および（ｄ　）前
   記導管の外面に沿ってらせん状パターンを成しながら配
   置された少なくとも１本のひも状封止材を有することを
   特徴とする着脱自在の挿入体アセンブリ。 ２５、前記封止材が前記導管の外面に沿ったらせん状の
   溝の中に配置されている特許請求の範囲第２４項記載の
   着脱自在の挿入体アセンブリ。 ２６、前記らせんのピッチが前記フランジから遠去かる
   に従って減少する特許請求の範囲第２４項記載の着脱自
   在の挿入体アセンブリ。 ２７、前記封止材がより糸から成る特許請求の範囲第２
   ４項記載の着脱自在の挿入体アセンブリ。