(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器（４）内の冷却液に浸漬された磁気組立体（２）を含むＭＲＩまたはＮＭＲシステムであって、容器（４）は、パルス管冷凍装置（８）を収容する頸管を有し、パルス管冷凍装置（８）は、環状であり、蓄熱管（３２）とパルス管（３０）とを備え、蓄熱管（３２）とパルス管（３０）とは、共に頸管の穴を取り囲む環状であり、蓄熱管（３２）はパルス管（３０）と同心的かつ同軸的に配置されパルス管（３０）の外側か内側に接触することを特徴とするＭＲＩまたはＮＭＲシステム。
【請求項２】
容器（４）内の冷却液に浸漬された磁気組立体（２）を含むＭＲＩまたはＮＭＲシステムであって、容器（４）は、パルス管冷凍装置（８）を収容する頸管を有し、パルス管冷凍装置（８）は、頸管の穴を取り囲む環状のパルス管（３０）と、パルス管（３０）から離れて配置される蓄熱管（３２）とを有することを特徴とするＭＲＩまたはＮＭＲシステム。
【請求項３】
容器（４）内の冷却液に浸漬された磁気組立体（２）を含むＭＲＩまたはＮＭＲシステムであって、容器（４）は、パルス管冷凍装置（８）を収容する頸管を有し、パルス管冷凍装置（８）は、全体形状として頸管の穴を取り囲む環状であり、当該環状形状内に環状のパルス管（３０）と蓄熱管（３２）とが配置されることを特徴とするＭＲＩまたはＮＭＲシステム。
【請求項４】
パルス管（３０）は、表面粗さを増減する表面ライナー、或いは、人工的な表面粗さを施すこともしくは砂吹きにより熱伝達が増強された表面を備える、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のＭＲＩまたはＮＭＲシステム。
【請求項５】
前記頸管が、鋼製、チタン合金製、エポキシ樹脂製のいずれかである、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のＭＲＩまたはＮＭＲシステム。
【請求項６】
前記パルス管冷凍装置は、シールドの荷重および／または磁石の荷重を支持する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のＭＲＩまたはＮＭＲシステム。
【請求項７】
前記パルス管冷凍装置が多段式であり、前記頸管が、シールドの荷重および／または磁石の荷重を支持する多段式要素である、請求項６に記載のＭＲＩまたはＮＭＲシステム。
【請求項８】
前記多段式パルス管冷凍装置が、液化に使用される、請求項７に記載のＭＲＩまたはＮＭＲシステム。
【請求項９】
蓄熱管（３２）或いはパルス管（３０）が、放射シールドとパルス管冷凍装置との間に直接接触を提供する懸架部材として作用する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のＭＲＩまたはＮＭＲシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＲＩ（磁気共鳴映像）またはＮＭＲ（核磁気共鳴）システムに関わり、特に、該システムの頸管に関するものである。
本発明は、前記システム内の同軸的なパルス管冷凍装置の使用に関するものであるが、それに限定されるものではない。
【０００２】
【従来の技術】
同軸的なパルス管冷凍装置は、R.N.リチャードソンの『実用的パルス管冷凍装置の開発: 同軸設計と粘度の影響』( 低温学 1988 年28巻8 月号 516〜520 頁)(Development of a Practical Pulse Tube Refrigerator:Coaxial design and the influence of viscosity by R.N.Richardson in Cryogenics 1988 Vol. 28.August,page 516 〜520)と題する論文に説明されている。この論文には、同心的なパルス管設計により、高いヒートポンプ率を達成するための、好都合で、コンパクトな構成が得られることが述べられている。その場合、好適な構成であるパルス管周囲への蓄熱器の同心配置の代わりに、パルス管が環状空間を占め、中心の蓄熱器を取巻くようにされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、同心的なパルス管冷凍装置をＭＲＩまたはＮＭＲシステムの頸部内へ組み込むことである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、容器内の冷却液に浸漬された磁石組立体を含むＭＲＩまたはＮＭＲシステムが得られ、該システムは、頸管の形式での孔を有し、前記頸管がパルス管冷凍装置を収容するようにされている点が特徴である。
【０００５】
パルス管冷凍装置は環状体または環状体の一区分の形式を有している。
パルス管冷凍装置は強化された表面構造を有し、該表面構造は天然または人工の構造である。
パルス管冷凍装置は環状体形式の蓄熱管を有し、該環状体が、パルス管の内側または外側と同心的かつ同軸的であり、かつまた接触している。
蓄熱管またはパルス管は、また懸架部材としても機能することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下で、本発明の一好適実施例を添付図面につき説明する。
図１には、磁石組立体２が液体ヘリウム槽４に浸漬されたＭＲＩまたはＮＭＲ低温保持（cryostat）システムの一部が示されている。頸管６が、液体ヘリウム槽４から突出して延在し、液体ヘリウム槽４内へは、同軸的なパルス管冷凍装置８が挿入されている。頸管６は接点１０を有し、接点１０には放射熱シールドが結合されている。パルス管冷凍装置８は、前記シールドの冷却にも役立つ単段または多段のパルス管冷凍装置でよい。頸管は、また「漏斗化」(funnelling)を防止するために、バッフル挿入体１２を有するようにすることができ、また次のような材料、例えば鋼、チタン合金、エポキシ樹脂のいずれかで造ることができる。
【０００７】
先に挙げた論文には、種々のパルス管設計の典型的な構成が説明されている。パルス管冷凍装置は、環状または円形の構成であり、低温保持システムの環状の孔への挿入に好適である。
【０００８】
環状の孔は、例えば、低温保持システム自体の頸管６により形成され、該頸管は、磁石組立体２の種々の部分への接近、液体への接近、充填または排出等のいずれかのために使用される。軽量のＭＲＩシステムまたは次世代のＭＲＩシステムのなかには、低温保持システムの頸部または他の孔に全体が懸架されているものもある。頸部または前記孔は、かなり剛性に構成しておかねばならない。この剛性の構成により、ヘリウムまたは窒素の容器もしくは放射シールドの全体的な熱インプットが増すことになろう。頸管が熱伝導率の低い材料として設計されていない場合には、熱インプットが増す結果、低温保持システムの蒸発損（boil-off）が高まり、低温保持時間が短縮される。この理由から、液体の窒素またはヘリウムの貯蔵タンク内の頸管は、エポキシ樹脂複合材料製の管で造られている。
【０００９】
ＭＲＩまたはＮＭＲシステムに最も広く使用されているステンレス鋼製頸管に起因する低温保持システム内への付加的な熱漏れを低減する別の措置は、管壁に密接して逃げるヘリウムガスによって頸管を冷却するか、他の外的手段、例えばいわゆる放射シールド冷却器を用いて冷却する。その場合、頸部は、ヨーロッパ特許出願第０２６００３６号により周知のように、銅製リンクを介して放射シールドに付加的に接続される。
【００１０】
本発明は、低温冷却器の２つの機能、すなわち低温保持システム内での放射シールド懸架機能と放射シールド冷却機能とを組合わせたものである。
設計上、頸管への質量の懸架が不適の場合、頸管は、内部に組み込まれた、目に触れない放射シールド冷却器としてのみ働く。
【００１１】
パルス管を環状の頸管システムとして設計する場合、本発明により次の利点が得られる。例えば、幾種類かのパルス管は、対流や種々の熱作用の存在のため、依然として配向に依存している。このことはまた、大部分の現在のパルス管冷凍装置の場合、垂直または大抵は３０°未満の僅かな傾斜角度が、最適使用位置であることを意味している。本発明でも、これに等しい角度範囲を使用できる。この設計の別の好ましい点は、頸管のパルス管冷凍装置が、きわめてコンパクトに設計でき、例えば、放射シールドに低温冷却器を間接的に連結するために、付加的スリーブを挿入せねばならないＧＭ型冷却器の付加的欠点を除去できる点である。
【００１２】
スリーブの間挿が必要となるのは、ＧＭ型冷却器が一定の間隔で保守を要するためであり、またシステムに振動が発生するからである。この振動のために、銅製編組体を介して放射シールドに間接連結する必要がある。外側真空容器から放射シールドまで、またはヘリウム容器までの開放窓の平均直径が約150 〜200mm あり、したがって、それによりまた蒸発損の増大が促進される。
【００１３】
しかし、頸管のパルス管冷凍装置では、熱駐留(heat stationing) は簡単な過程である。加えて、通常、低温保持システムの中心または中心近くに位置する頸部の位置は、放射シールド周囲全体の熱分布に対し最も有効と見なされる。頸管のパルス管冷凍装置によって、コンパクトな設計が可能になる。なぜなら、通常の頸管直径は60〜120mm に過ぎず、パルス管から成る環状体は、通常、5 〜10mmであり、加えて、蓄熱器を収容し得る第２環状体は、ほぼ等寸法でよいからである。このことにより、また放射シールドに対する熱接触措置が容易になる。その場合には、放射シールドを熱リンク上に配置できるからである。従来は、放射シールドおよび／または磁石組立体と放射シールドとを懸架するための直接リンクは、ピストン駆動式の冷却器により振動が誘起されるため、適当ではなかった。
【００１４】
低温冷却器内に可動部品が存在しないため、従来型式とは大幅に異なる設計が可能になった。低温保持システムの周囲構造物に、この型式の冷却器を直接に接続し得ることで、システムに加わる振動が最小化される。こうしたことは、ピストン駆動式システムでは不可能であり、該システムの場合には、ＭＲＩまたはＮＭＲ測定時に、人為的障害（artifacts ）が明らかになろう。
【００１５】
これら可動部品の不在のため、管に沿った移動圧力波は別として、内部低温保持構造物に伝えられる誘発振動レベルの値は、ピストン駆動式冷却器の場合より、数桁小さい。したがって、放射シールドを冷却器に直接に接触または連結するあらゆる形式、例えば、ろう接、ボルト締め、ねじ止め、クランプ、接着、溶接、スライディング、プレス、焼きばめ又はばね負荷、レバーで作動する機械式接触装置のいずれかの使用が可能である。したがって、本発明によれば、頸部パルス管を、効果的に懸架部材として使用できる。
【００１６】
また、このパルス管冷凍装置の冷却端部は、収縮効果を均等化させるために、負の熱膨張係数を有する材料を用いるよう設計できよう。
さらに、頸管パルス管冷凍装置の外表面と内表面とは、断熱でき、頸管が磁石組立体や放射シールドの荷重を支持できるように強化できる。そうすることにより、言うまでもなく、外側真空容器内に組込まれた第２または第３のタレットを備える必要がなくなる。そのことにより、また使用者の側での低温保持システムの操作が容易になり、熱窓の不在による蒸発損が低減される。該熱窓は、本発明では完全に閉じられている。好ましくは、接触段（例えば長さ約20mm）は、強化から省くことができよう。その場合、十分な熱伝達面積を、その位置で利用可能にし、それによって冷却ヘリウムまたは他の気体が、頸管冷却器の熱リンクと熱交換できるようにすべきである。それによって、また放射シールドを冷却するために、ＰＴＲに要する電力が低減されよう。
【００１７】
２重環型頸管パルス管冷凍装置は、放射シールドおよび磁石組立体の荷重を支持するように壁厚が増強されたパルス管冷却器外周壁を有するようにし得る一方、パルス管内壁は薄壁に設計できよう。この問題に対する別の解決策は、パルス管内側の環状体を、より剛性にすることだろう。なぜなら、該環状体は、すでにそれに作用する外圧に耐えねばならないからであり、該環状体が、適宜に剛性的に設計された場合、前記の低温保持システムの荷重と、低温保持システムに加わるすべての付加的荷重、例えば、輸送方式に依存する種々の荷重や、冷却時、磁石組立体の傾斜時、地震による励振時、放射シールドの恒久的な位置固定時等に加わる応力と、その他の熱転移による応力とに耐えることができよう。また、双方の環状体の壁厚は、パルス管の各段で最適冷却出力が得られるように考慮せねばならない。
【００１８】
頑丈かつ剛性の頸管は、通常、20バールを超える内圧に耐えるようにすることで達成でき、このことは、また図２に示した管８を強化することにより達成できよう。この強化は、別の管１６を支持するリブまたは半径方向の補剛材１４により達せられよう。管１６は、蓄熱管２２を取囲み、垂直軸線または水平軸線に沿って配位できる。管１６は、また外側のエポキシ樹脂複合材料または他の被覆２０によって強化されている。
【００１９】
この型式のパルス管幾何形状の付加的利点は、孔を利用でき、低温保持システムへの自由な接近が可能な点である。このように、このパルス管幾何形状により、通例、頸部が提供するすべての利点、例えば急冷時には、開放された孔が提供される。その場合、頸管は、急冷ガス出口として働き、したがってまた極めて好都合に安全板を備えることができ、他方、さらに、導流部材(current leads）およびサイフォンを挿入するため、磁石組立体への接近を可能にし、同時に、熱駐留(stationing)によって、頸管や、その内部および外部の付属部品、例えば診断設備その他多くの部品の熱インプットを低減できなければならない。別の利点は、この孔が、さらにタレットの頂部からのいわゆる「漏斗化」を防止するため、バッフルシステムを挿入するために使用される点である。このバッフルシステムは、またバッフルが、好ましくは頸部パルス管の段に接触するようにされ、それによって温熱端部からシステム内への熱インプットが最小化されるように使用できよう。既述のように、この典型的な構成により、種々の診断管または恒久的な固定管、例えば導流部材等の熱駐留が可能になる。
【００２０】
パルス管の外周区域は、熱伝達過程に関与しないので、ヒートポンプ効果を妨害しないだろう。
しかし、パルス管の環状の構成の結果生じる圧力降下は、円形管の場合より大きいので、環状の幾何形状を最適化するための措置を施して、該圧力降下を低減させねばならない。
【００２１】
ヒートポンプ効果は、環状のパルス管では異なる働きを示すことができる。該パルス管は、いまや表面積を増強され、普通の円形パルス管の場合より、言うまでもなく大きな表面積にされているためである。ピストン駆動式低温冷却器と異なり、パルス管は、設計の自由度が大きい。このことは、パルス管自体にのみでなく、蓄熱管にも妥当する。例えば、食刻された蓄熱器設計は、容易に環状のパルス管冷凍装置に挿入でき、また直径0.2 〜0.5mm を典型的な範囲とする鉛のショットボールが通常用いられる。
【００２２】
さらに、パルス管自体の表面は、周囲の脈動するガス流に対する熱伝達を増強または最適化するために、変化させることができよう。
また、パルス管壁の摩擦係数は、熱伝達と圧力降下とが最適化されるように調節できよう。このことは、表面粗さを所望どおりに増減する表面ライナー使用することで可能になろう。
異なるヒートポンプ表面を均等化させるため、熱伝達特性が比較的乏しい表面には、人工的な表面粗さを施すことによって、もしくは砂吹き、またはその他の、熱伝達増強に一般に適用可能な、かつ本発明の範囲に含まれる措置によって、該特性を強化することができる。
【００２３】
また、パルス管と蓄熱管とは、蓄熱器が、内側環状体内に収容され、パルス管が、図１に示したように、管構成の外側環状体を形成するように構成することができよう。２つの環状体は、互いに接触するようにされるか、または必要とあれば、断熱材（例えばエポキシ製またはナイロン製ライニング）によって断熱できよう。蓄熱管は、内側パルス管に加わる外圧が蓄熱管によって支えられるように設計できる。蓄熱管は、また、より剛性に設計して、図２に見られるように、放射シールドの荷重および／または磁石組立体の支持に使用することも可能だろう。蓄熱器の材料に応じて、蓄熱器は、付加的な半径方向荷重を支持するように設計できる。必要とあれば、内側パルス管の外側をリブまたは他の補強手段で補強でき、同じことは、ガス流が過度に制限されていないことを条件として、蓄熱管の内表面にも適用される。
【００２４】
頸管もまた、頸管の一部のみが、例えば環状体の一区分のみが、冷却器設計に利用されるように設計できよう。
頸管が冷却端部に１つのベローを備えねばならない場合には、放射シールドを頸管に付加できよう。
さらに頸部パルス管の幾何形状により、直接的な熱接続が可能になり、それにより、固定導流部材等の恒久的に固設された管からの、または一時的に固定された導流部材からの熱の取出しが可能であり、そうでなければ、導流部材が、ヘリウム容器からの蒸発損を増大させることになろう。このことは極めて重要であり、なぜなら同じことがピストン駆動式システムと直接的な熱接続とに対し以前に適用されていたからである。
【００２５】
本発明は、多段パルス管冷凍装置にも適用でき、該冷凍装置は、その場合、液化に最適利用されよう。他の一切の表面が閉じられる一方、急冷の場合、または低温保持システムの減圧または加圧の場合、なお１つの孔が利用できる。
パルス管は、単段または２段の環状設計が可能だろうが、その場合、「第３の」段が、磁石組立体の荷重の一部を支持する円形管を含んでいる。
３段パルス管が使用される場合は、該パルス管は、液化用の市販の熱交換器に接続されよう。
【００２６】
本発明の原理は、ＭＲＩ及び関連システムに適用されるほか、ＮＭＲシステムにも適用される。
その場合、頸管パルス管冷凍装置は、放射シールドや磁石組立体の荷重を含む低温保持システム全体の懸架に使用される頸部の数を最少化できるように設計される。
これによって、蒸発損は劇的に低減される。従来のＮＭＲシステムでは周知のことだが、蒸発損は、大部分が、頸部幾何形状全体への温度分布に依存し、該温度分布が、放射シールド内の温度上昇の原因となり、したがって間接的にヘリウムの全蒸発損を生じさせる。
したがってまた、頸部様のパルス管冷凍装置は、実際には、低温保持システム全体の、目に触れない統合された一部品となっている。
【００２７】
本発明の利点は次の通りである：
垂直または僅かな傾斜角度が、最新のパルス管の場合の最適使用位置である。
前記パルス管により、放射シールドの熱接触が容易になり、それにより放射シールドが、熱リンク上に配置（またはねじ止め）できよう。
パルス管冷凍装置の外表面と内表面とは断熱でき、したがって熱伝達過程には関与しないため、ヒートポンプ効果を妨害しない。
【００２８】
例えば外側の補強による壁厚の低減によって、頸部に沿って伝導されるため、熱インプットがかなり低減でき、言い換えると頸部が、それ自体で冷却する。
第１段及び第２段は、それらの接触位置で熱交換し、言い換えると、ヘリウムガスの冷却エンタルピーは、パルス管冷凍装置の所要出力の低減を助ける。
パルス管冷凍装置は剛性にして、放射シールド重量や磁石組立体の荷重を支持するようにすることができる。
【００２９】
パルス管冷凍装置は、頸管が提供するすべての利点、例えば、急冷時には、開放された孔を提供し、導流部材およびサイフォンへのアクセスを提供し、同時に、低温保持システムには１つしかタレットを必要としないため、窓面積が縮小され、熱伝導が低減される。
最適の熱リンク箇所または熱リンク位置が得られる。
環状体は、頂部から開くことができ、保守は通常は不要だが、必要な場合には、蓄熱器材料を交換できよう。
全体に組込まれたれた固定的な設計部分は、使用者や患者の目にはふれない。
【００３０】
以下の説明を通じて、図３〜図７に示した類似の部材には、同じ符号が付されている。
図３には、頸部状のパルス管冷凍装置の断面図が示されているが、この場合、パルス管３０と蓄熱管３２とは環状であり、蓄熱管がパルス管を取囲んでいる。
この構成は、第１冷却段３４と、鉛球を有する第２冷却段３６と、ヘリウム容器３８と、磁石組立体４０とを含んでいる。ヘリウムの蒸発損ガスは、矢印Ａ方向へ流れる。符号４２の箇所で、固定導流部材または診断管は、冷却器の頸部に熱リンクされる。バッフルシステム４４が備えられ、冷却器と熱交換器４６とに熱リンクされている。
【００３１】
図４には、図３とは異なる構成が示されている。この場合は、蓄熱管３２がパルス管３０によって取囲まれている。任意のバッフルシステムは、第２冷却段３６とヘリウム容器３８との間に配置できる。断熱材は符号５０の箇所に配置されている。蓄熱管３２は、鉛球３２ａを有するステンレス鋼メッシュを第２冷却段に有している。外部弁箱Ｓへの接続が示されている。
【００３２】
図５には、頸部パルス管の一部が示されているが、この場合は、パルス管３０と蓄熱管３２とが物理的に互いに離れて配置されている。
図６には、パルス管冷凍装置の一部が示されているが、この場合は、パルス管３０と蓄熱管３２とが円形であり、頸管５２の一部または一区分を占めている。
【００３３】
図７には、３段頸部パルス管冷凍装置が示されているが、この場合は、パルス管３０と蓄熱管３２とが、頸管５２の一部または一区分を占めている。
この構成では、第３冷却段５４が備えられ、通常は希土類元素、例えばそれぞれEr3Ni,Ndを含む第１区分５６と第２区分５８とを有している。
【００３４】
当業者には、特許請求の範囲の枠内で種々の変更態様が可能であることがわかるであろう。例えば、パルス管または蓄熱管は、懸架部材として機能することができよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】パルス管冷凍装置を組込んだ頸管を有するＭＲＩまたはＮＭＲシステムの一部を示す図。
【図２】パルス管冷凍装置の表面を増強するいくつかの措置を示す図。
【図３】パルス管と蓄熱管とが環状の頸部- パルス管冷凍装置の断面を示す図。
【図４】図３に示した頸部- パルス管冷凍装置の変化形を示す図。
【図５】パルス管と蓄熱管とが分離された頸部- パルス管冷凍装置の断面を示す図。
【図６】パルス管と蓄熱管とが円形で、頸管の一部を占めている頸部- パルス管冷凍装置の断面を示す図。
【図７】３段頸部- パルス管冷凍装置液化装置の断面を示す図。
【符号の説明】
２  磁石組立体
４  液体ヘリウム槽
６  頸管
８  パルス管冷凍装置
１０  接点
１２  バッフル挿入体
１４  補剛材
１６  管
２０  被覆
２２  蓄熱管
３０  パルス管
３２  蓄熱管
３４  第１冷却段
３６  第２冷却段
３８  ヘリウム容器
４０  磁石組立体
４４  バッフルシステム
５２  頸管
５４  第３冷却段
５６  第１区分
５８  第２区分
【図１】
0004111603.tif 000002
【図２】
0004111603.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004111603.tif 000005
【図５】
0004111603.tif 000006
【図６】
0004111603.tif 000007
【図７】
0004111603.tif 000008