(57)【要約】  冷却デバイス４０は、熱交換器５０と、コールドシンク４２、４４、４６と熱交換器とを接続する第１の流れループ５２と、ホットシンク２０と熱交換器とを接続する第２の流れループ５４とを含む。第１の流れループに配置された第１の受動一方向バルブ６２は、許容流れ方向Ｆ１の流れを許容し、反対方向の流れを阻止するように方向付けられる。第２の流れループに配置された第２の受動一方向バルブ６４は、許容流れ方向Ｆ２の流れを許容し、反対方向の流れを阻止するように方向付けられる。許容流れ方向により、熱交換器に向流が生成される。例示の実施形態では、ホットシンクは極低温磁石コイル２０を含み、ホットシンクは、コールドヘッド４２、４４及び液体ヘリウムタンク４６である。
2020501624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器と、
コールドシンク及び前記熱交換器を接続する第１の流れループと、
ホットシンクと前記熱交換器とを接続する第２の流れループと、
前記第１の流れループに配置され、前記第１の流れループにおける許容流れ方向の流れを許容し、前記第１の流れループにおける反対の阻止流れ方向の流れを阻止するように方向付けられた第１の受動一方向バルブと、
前記第２の流れループに配置され、前記第２の流れループにおける許容流れ方向の流れを許容し、前記第２の流れループにおける反対の阻止流れ方向の流れを阻止するように方向付けられた第２の受動一方向バルブと
を含む冷却デバイスであって、
前記第１の流れループにおける前記許容流れ方向の流れと前記第２の流れループにおける前記許容流れ方向の流れとの組合せにより、前記熱交換器内に向流を生成する、冷却デバイス。
【請求項２】
前記第１の受動一方向バルブが第１のテスラバルブを含み、前記第２の受動一方向バルブが第２のテスラバルブを含む、請求項１に記載の冷却デバイス。
【請求項３】
前記第１のテスラバルブ及び前記第２のテスラバルブが、各々、
ミル加工されたテスラバルブ導管パターンを有する第１のステンレス鋼ブロックと、
ミル加工されたテスラバルブ導管パターンを有する第２のステンレス鋼ブロックと
を含み、
前記第１及び第２のステンレス鋼ブロックが一緒にハーメチックシールされ、前記第１及び第２のステンレス鋼ブロックの前記テスラバルブ導管パターンが、ハーメチックシールされた前記第１及び第２のステンレス鋼ブロックを通過するテスラバルブ導管を画定する、請求項２に記載の冷却デバイス。
【請求項４】
各テスラバルブの前記第１及び第２のステンレス鋼ブロックが、ろう付け接合部によって一緒にハーメチックシールされる、請求項３に記載の冷却デバイス。
【請求項５】
前記第１の流れループに配置されたヘリウム流体と、
前記第２の流れループに配置されたヘリウムガスと
を更に含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の冷却デバイス。
【請求項６】
前記第２の流れループの流れを駆動するのに、機械式ポンプが接続されない、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の冷却デバイス。
【請求項７】
前記ホットシンクに含まれる超伝導磁石巻線と、
前記コールドシンクに含まれる極低温コールドヘッドと
を更に含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の冷却デバイス。
【請求項８】
前記コールドシンクに含まれる気液相分離器を更に含む、請求項７に記載の冷却デバイス。
【請求項９】
１つ又は複数の超伝導磁石巻線を含む磁石と、
極低温コールドヘッドと、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の冷却デバイスであって、前記冷却デバイスの前記ホットシンクが、前記１つ又は複数の超伝導磁石巻線を含み、前記冷却デバイスの前記コールドシンクが、前記極低温コールドヘッド及び液体ヘリウムタンクを含む、前記冷却デバイスと
を含む、磁気共鳴イメージングデバイス。
【請求項１０】
コールドシンクと熱交換器とを接続する第１の流れループを通して第１の冷却剤流体を流すステップと、
ホットシンクと前記熱交換器とを接続する第２の流れループを通して第２の冷却剤流体を流すステップと、
前記第１の流れループに前記第１の冷却剤流体を流す前記ステップを許容方向では許容し、一方、反対の阻止方向では流れを阻止するために第１の受動一方向バルブを使用し、前記第２の流れループに前記第２の冷却剤流体を流す前記ステップを許容方向では許容し、一方、反対の阻止方向では流れを阻止するために第２の受動一方向バルブを使用することによって、前記熱交換器内に向流を生成するために、前記第１の冷却剤流体を流す前記ステップと前記第２の冷却剤流体を流す前記ステップとを抑制するステップと
を有する、冷却方法。
【請求項１１】
前記第１の受動一方向バルブが第１のテスラバルブを含み、前記第２の受動一方向バルブが第２のテスラバルブを含む、請求項１０に記載の冷却方法。
【請求項１２】
第１のステンレス鋼ブロックにテスラバルブ導管パターンをミル加工し、
第２のステンレス鋼ブロックにテスラバルブ導管パターンをミル加工し、
前記第１及び第２のステンレス鋼ブロックを一緒にハーメチックシールし、前記第１及び第２のステンレス鋼ブロックの前記テスラバルブ導管パターンが、ハーメチックシールされた前記第１及び第２のステンレス鋼ブロックを通過するテスラバルブ導管を画定することによって、
前記第１のテスラバルブ及び前記第２のテスラバルブの各々を構築するステップを更に有する、請求項１１に記載の冷却方法。
【請求項１３】
前記ハーメチックシールするステップが、前記第１及び第２のステンレス鋼ブロックを一緒にろう付けするステップを有する、請求項１２に記載の冷却方法。
【請求項１４】
前記第１の冷却剤流体がヘリウム流体であり、前記第２の冷却剤流体がヘリウムガスである、請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の冷却方法。
【請求項１５】
前記第１の流れループを流れる液体ヘリウム相の前記ヘリウム流体を、前記第１の流れループに接続されたヘリウムタンクに集めるステップを更に有する、請求項１４に記載の冷却方法。
【請求項１６】
熱交換器と、
極低温コールドヘッドと、
１つ又は複数の超伝導磁石巻線と、
前記極低温コールドヘッドと前記熱交換器とを接続する第１の流れループと、
前記１つ又は複数の超伝導磁石巻線と前記熱交換器とを接続する第２の流れループと、
前記第１の流れループに配置されており、前記第１の流れループにおける許容流れ方向の流れを許容し、前記第１の流れループにおける反対の阻止流れ方向の流れを阻止するように方向付けられた第１の受動一方向バルブと、
前記第２の流れループに配置されており、前記第２の流れループにおける許容流れ方向の流れを許容し、前記第２の流れループにおける反対の阻止流れ方向の流れを阻止するように方向付けられた第２の受動一方向バルブと
を含む、極低温磁石であって、
前記第１の流れループにおける前記許容流れ方向の流れと前記第２の流れループにおける前記許容流れ方向の流れとの組合せにより、前記熱交換器内に向流を生成する、極低温磁石。
【請求項１７】
前記第１の受動一方向バルブが第１のテスラバルブを含み、前記第２の受動一方向バルブが第２のテスラバルブを含む、請求項１６に記載の極低温磁石。
【請求項１８】
前記第１の流れループに配置され、前記第１の流れループにおける前記許容流れ方向に流れるヘリウム流体と、
前記第２の流れループに配置され、前記第２の流れループにおける前記許容流れ方向に流れるヘリウムガスと
を更に含む、請求項１６又は１７に記載の極低温磁石。
【請求項１９】
前記第１の流れループに配置された前記ヘリウム流体が、ヘリウムガス、液体ヘリウム、及びヘリウムガスと液体ヘリウムの二相混合物のうちの１つである、請求項１８に記載の極低温磁石。
【請求項２０】
前記第１の流れループに接続された気液分離器を更に含む、請求項１６乃至１９のいずれか一項に記載の極低温磁石。
【請求項２１】
検査領域に静磁場を発生させるための請求項１６乃至２０のいずれか一項に記載の極低温磁石と、
前記検査領域の前記静磁場に傾斜磁場を重ね合わせるための傾斜磁場コイルと
を含む、磁気共鳴イメージングデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
以下は、一般に、冷却技術、極低温冷却技術、超伝導磁石技術、超伝導磁石磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）デバイス技術等に関する。
【背景技術】
【０００２】
いくつかの商用磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）デバイスは、必要な高強度静（Ｂ０）磁場を高効率で発生するために超伝導磁石巻線を使用する。従来より、そのような磁石は、超伝導材料を臨界超伝導温度より下に維持するために液体ヘリウムに浸される。しかしながら、この手法は、磁石始動時に液体ヘリウムの大量使用及び液体ヘリウムの可用性を必要とする。
【０００３】
超伝導磁石を冷却するための別の知られている手法は熱サイホンを使用する。超伝導磁石は、熱隔離を維持するために真空デュワー内で、作動流体としてヘリウムを使用する極低温冷却器（すなわち、コールドヘッド）によって冷却される熱伝導性（例えば、銅）基体上に配置される。より詳細には、コールドヘッドは、一次冷却回路を流れるヘリウムを冷却する。二次冷却回路は、熱交換器によって一次冷却回路に熱的に接続される。二次冷却回路は、超伝導巻線を冷却するために銅基体に接続された（例えば、ろう付けされたか又は溶接された）配管に冷却されたガスヘリウムを送り出す。始動は、有利には、ガスヘリウムのみで実行される。一次冷却材回路が作動ガスヘリウムを冷却するとき、作動ガスヘリウムは、ガスヘリウム及び液体ヘリウム（ＬＨｅ）の二相混合物に移行し、ＬＨｅは一次冷却回路のヘリウムタンクに集まる。ヘリウムタンク内にＬＨｅの貯蔵部を構築すると、運用段階の間一次回路の温度安定性が強化される。二次冷却回路では、ヘリウムは、十分に低い圧力であり、その結果、ヘリウムは、二次冷却材回路内で単相ガスのままであり、それによって、二次冷却回路内の受動熱サイホン流れが促進される。この手法は、より伝統的なＬＨｅ液浸と比べて利点がある。熱サイホン手法は、大量のＬＨｅの供給なしに始動することができる。
【０００４】
以下は、上述の問題等に対処する新しい改善されたシステム及び方法を開示する。
【発明の概要】
【０００５】
開示する１つの態様において、冷却デバイスは、熱交換器と、コールドシンクと熱交換器とを接続する第１の流れループと、ホットシンクと熱交換器とを接続する第２の流れループとを含む。第１の受動一方向バルブが、第１の流れループに配置されており、第１の流れループにおける許容流れ方向の流れを許容し、第１の流れループにおける反対の阻止流れ方向の流れを阻止するように方向付けられる。第２の受動一方向バルブが、第２の流れループに配置されており、第２の流れループにおける許容流れ方向の流れを許容し、第２の流れループにおける反対の阻止流れ方向の流れを阻止するように方向付けられる。第１の流れループにおける許容流れ方向の流れと第２の流れループにおける許容流れ方向の流れとの組合せが、熱交換器内に向流を生成する。
【０００６】
開示する別の態様において、冷却方法が開示される。第１の冷却剤流体は、コールドシンクと熱交換器とを接続する第１の流れループを流れ、第２の冷却剤流体は、ホットシンクと熱交換器とを接続する第２の流れループを流れる。第１の冷却剤流体を流すことと、第２の冷却剤流体を流すこととは、第１の流れループに第１の冷却剤流体を流すことを許容方向では許容し、一方、反対の阻止方向では流れを阻止するために第１の受動一方向バルブを使用し、第２の流れループに第２の冷却剤流体を流すことを許容方向では許容し、一方、反対の阻止方向では流れを阻止するために第２の受動一方向バルブを使用することによって熱交換器内に向流を生成するように抑制される。
【０００７】
開示する別の態様において、極低温磁石は、熱交換器と、極低温コールドヘッドと、１つ又は複数の超伝導磁石巻線とを含む。第１の流れループは、極低温コールドヘッドと熱交換器とを接続する。第２の流れループは、１つ又は複数の超伝導磁石巻線と熱交換器とを接続する。第１の受動一方向バルブが、第１の流れループに配置されており、第１の流れループにおける許容流れ方向の流れを許容し、第１の流れループにおける反対の阻止流れ方向の流れを阻止するように方向付けられる。第２の受動一方向バルブが、第２の流れループに配置されており、第２の流れループにおける許容流れ方向の流れを許容し、第２の流れループにおける反対の阻止流れ方向の流れを阻止するように方向付けられる。第１の流れループにおける許容流れ方向の流れと第２の流れループにおける許容流れ方向の流れとの組合せが、熱交換器内に向流を生成する。
【０００８】
開示する別の態様では、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）デバイスは、検査領域に静磁場を発生させるように構成された、直前の段落に記載されている極低温磁石を含み、検査領域の静磁場に傾斜磁場を重ね合わせるように構成された傾斜磁場コイルを更に含む。
【０００９】
１つの利点は、熱サイホン冷却システムの改善されたより信頼できる起動を提供することにある。
【００１０】
別の利点は、効率的な熱交換を促進する熱交換器の向流を保証するために一次及び二次冷却剤回路の流れ方向が積極的に制御される熱サイホン冷却を提供することにある。これはまた、重力場の幾何学的配置を利用することが可能でない場合に流れ方向の制御を可能にする。
【００１１】
別の利点は、前述の利点のうちの１つ又は複数を有する極低温熱サイホン冷却を提供することにある。
【００１２】
別の利点は、ハーメチックシールされた一次及び二次冷却回路を用いたそのような極低温熱サイホン冷却を提供することにある。
【００１３】
別の利点は、前述の利点のうちの１つ又は複数を有し、ヘリウム作動流体を使用する極低温熱サイホン冷却を提供することにある。
【００１４】
別の利点は、ヘリウム作動流体を使用する極低温熱サイホン冷却によって冷却された超伝導磁石を提供することにあり、冷却システムは前述の利点のうちの１つ又は複数を有する。
【００１５】
別の利点は、ヘリウム作動流体を使用する極低温熱サイホン冷却によって冷却された超伝導磁石を含む磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）デバイスを提供することにあり、冷却システムは前述の利点のうちの１つ又は複数を有する。
【００１６】
所与の実施形態は、本開示を読み理解する際に当業者には明らかになるように、前述の利点のどれも提供しないか、１つ、２つ、更に多く、若しくはすべてを提供し、及び／又は他の利点を提供する。
【００１７】
本発明は、様々な構成要素及び構成要素の構成並びに様々なステップ及びステップの構成の形態をとる。図面は、単に好ましい実施形態を示すためのものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。特に明記しない限り、図面は、概略的なものであり、正しい縮尺であるとして又は異なる構成要素の相対寸法を示しているとして解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ヘリウム作動流体を使用する極低温冷却デバイスによって冷却される超伝導磁石を含む磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）デバイスを概略的に示す図である。挿入図は、１つの超伝導磁石コイルの一部分の拡大断面図を示す。
【図２】請求項１に記載の極低温冷却デバイスを概略的に示す図である。
【図３】図１の極低温冷却デバイスにおいて一方向バルブとして適切に使用されるテスラバルブの概略的な平面図である。図３は、更に、テスラバルブを形成するために、例えば、ろう付け接合部によって一緒に固定された、ミル加工されたテスラバルブ導管パターンをもつ２つのステンレス鋼ブロックを示す。
【図４】代替の一方向バルブを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
熱交換器において、高温冷却剤流体は、低温冷却剤流体を運ぶ流路に隣接する流路を流れ、熱が高温冷却剤流体から低温冷却剤流体に移動して、高温冷却剤流体の温度が下がる。熱交換器において、高温冷却剤流体がその流路を通る流れは、低温冷却剤流体がその流路を通る流れと平行にすることができる。代替として、高温冷却剤流体がその流路を通る流れは、低温冷却剤流体がその流路を通る流れと逆平行（すなわち、反対方向）にすることができる。この後者の構成は、向流構成と呼ばれ、並流構成よりも効率的である。その理由は、並流路に沿った点の平均温度差がより高いからである。
【００２０】
熱交換器によって接続された一次及び二次冷却剤回路を使用する既存の熱サイホン冷却デバイスについて本明細書で認識している問題は、そのような冷却デバイスが一般に熱交換器における一次及び二次冷却剤の向流を保証しないことである。そのような向流は、効率的な熱交換には最適である。冷却デバイスは、並流（所望の向流ではなく）が熱交換器に存在する場合、依然として作動するが、伝熱効率は、所望の向流構成と比較して大幅に低下する。
【００２１】
その問題は以下のように理解することができる。重力に対して任意の方位の対称熱サイホン設計では、一次及び二次冷却剤回路には固有の優先的な流れの方向がない。そのような優先的方向は、一般に、ループの垂直脚の一方をホット又はコールドシンクとなるように構成することによって熱サイホン中に設計される。しかしながら、所与のシステムレイアウトの形状はこれを可能にしないことがある。より一般的に考えれば、流れ方向は、他方向に対する一方向の流れの総合的抵抗によって熱サイホン動作の初期起動時に決定され、その結果、垂直脚又は他のレイアウト設計構成は、ループに所望の流れ方向を確実に設定するには不十分であることがある。
【００２２】
更なる困難は、冷却剤ループ内の流れの方向を外部から決定することが困難であるか又は不可能であることである。向流の欠如による冷却効率の低下を知ることによって望ましくない並流を検出することができる。しかしながら、これには、実際に達成可能な冷却効率に精通しており、この効率を測定するツール及び技術を有する専門家による性能分析が必要とされる。その上、冷却効率の低下が分かった場合でさえ、非最適効率は、多くの要因（例えば、一方又は両方の冷却ループからの冷却剤流体の漏洩、損なわれた断熱等）のうちのいずれかによって引き起こされ、その結果、原因としての望ましくない並流を分離するために更なる調査が必要とされる。更に、望ましくない並流が、熱サイホン冷却デバイスの起動時に導入された場合、これは、冷却デバイスが最終動作状態に達するまで検出することができない。
【００２３】
本明細書で開示する実施形態では、熱交換器内に向流を生成するために所望の流れ方向を確実にするのに、受動一方向バルブが、少なくとも二次冷却剤回路に、好ましくは、更に一次冷却剤回路に含まれる。一般に、任意のタイプのチェックバルブ又は逆止めバルブが受動一方向バルブとして使用される。
【００２４】
本明細書で開示するいくつかの例示の実施形態において、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）デバイスの超伝導磁石を冷却することに関連して、熱サイホン冷却デバイスを開示する。これらは、単に例示の実施形態であり、開示する熱サイホン冷却デバイスは、種々の用途に適用される。
【００２５】
図１を参照すると、例示の磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）デバイス８は超伝導磁石１０を含み、超伝導磁石１０は、例示の実施形態では、水平ボア１２を画定する水平ソレノイド超伝導磁石１０であり、水平ボア１２内に、患者又は他のイメージング対象者がＭＲＩ検査のために入れられる。カウチ又は他の患者支持体（図示せず）が、患者を載せるために設けられる。ＭＲＩデバイス８は、超伝導磁石１０に加えて、ＭＲＩ技術分野で知られている他の構成要素、例えば、抵抗性傾斜磁場コイル１４、全身無線周波数（ＲＦ）コイル１６（及び／又は１つ又は複数の局所ＲＦコイル、図示せず）等を更に含む。これらの構成要素は、ＭＲＩ画像を取得するために、知られているやり方で使用される。例えば、１つの例示のイメージングシーケンスでは、稼働している超伝導磁石１０は、ボア１２内の検査領域に静（Ｂ０）磁場を生成する。いくつかの実施形態において、この磁場の大きさ｜Ｂ０｜は、１．５テスラ、３．０テスラ、７．０テスラ等である。Ｂ０磁場は、（統計的に）、核スピンを特定の方向に向け、核スピンは、ＲＦコイル１６によって印加されるＲＦパルスにより励起される。励起された磁気共鳴は、傾斜磁場コイル１４により検査領域内で静（Ｂ０）磁場に重畳される傾斜磁場によって、空間的に制限され、及び／又は位相及び／又は周波数符号化され、このように操作され励起された磁気共鳴は、ＲＦコイル１６によって検出されてＭＲＩイメージングデータを発生する。選ばれた空間符号化に適する画像再構成アルゴリズムが、取得されたＭＲＩイメージングデータからＭＲＩ画像を再構成するために適用される。
【００２６】
引き続き図１を参照すると、超伝導磁石１０の１つのコイル２０の一部分が、挿入図においてより詳細に示される。超伝導巻線２２（ボックスとして概略的に示されているが、一般に１つ又は多数の巻線層を含む）が、ボア１２を取り囲む銅又は銅合金のフープ又はリング等の環状熱伝導性巻型２４のまわりに巻きつけられる。巻型２４が電導性である（銅／銅合金の事例である）場合、熱伝導性であるが電気絶縁性のスペーサ２６、例えば１つ又は複数のガラス繊維シートが設けられ、超伝導巻線２２を巻型２４から電気的に絶縁する。同様に、内側絶縁リング（図示せず）が、銅合金基体ループ２４の内径（ＩＤ）に設けられる。絶縁要素２８、３０が、オプションとして、位置決め又は他の目的のために端部に設けられる。二次冷却剤回路（後述）の一部であるパイプ３２が、銅合金基体ループ２４にろう付けされるか、溶接されるか、又は他のやり方で固定され、その結果、基体２４及び支持された超伝導導体巻線２２は、固定されたパイプ３２を介して二次冷却剤回路によってヒートシンクされる。
【００２７】
図１の主要図に戻って参照すると、例示の２つ又は（一般に）それを超えるそのような磁石巻線コイル２０は、超伝導巻線２２及び熱伝導性基体フープ２４を含む冷却アセンブリを熱的に絶縁するために真空デュアー３４に配置される。当技術分野で知られているように、より一般的には、異なるサイズ、コイル巻線の数等の多くのそのような巻線コイル２０が、ボア１２内の検査領域に高度の空間均一性をもつ静（Ｂ０）磁場を生成するために磁石設計に従って位置付けられる。
【００２８】
引き続き図１を参照し、更に図２を参照すると、磁石巻線コイル２０は、極低温冷却デバイス４０によって冷却される。図２は、冷却デバイス４０を概略的に示す。概略的に示したコールドヘッド４２、４４は、第１段のヘリウムコールドステーション４２と第２段のヘリウムコールドステーション４４とを含む。コールドヘッド４２、４４は、ヘリウム作動流体を冷却するように動作可能な任意の極低温冷却器によって具現される。２つのコールドステーションが示されているが、コールドステーションの数は、その代りに、１つであってもよく、又は３つ以上であってもよい。一般的な構成では、第１のコールドステーション４２は、第２のコールドステーション４４よりも高い温度であるが、他の構成も可能である。コールドヘッド４２、４４は、一般に、作動流体が冷却される熱力学サイクルを実施するために作動流体（例えば、ヘリウム）の周期的な圧縮及び膨張を可能にするピストン等（図示せず）によって動作する。いくつかの実施形態では、コールドヘッド４２、４４の動作は、液体ヘリウム（ＬＨｅ）、又はヘリウムガスとＬＨｅの二相混合物を発生させるためにヘリウムガスを液化するのに有効である。これは、図１の例示の実施形態の場合であり、ヘリウムタンク４６は気液分離器として働き、ＬＨｅは、ヘリウムタンク４６の底部に集まり、ヘリウムタンク４６の容積の残りは、ヘリウムガスによって満たされる。
【００２９】
極低温冷却デバイス４０は熱交換器５０を更に含む。第１の流れループ５２は、コールドシンクを熱交換器５０に接続する。第２の流れループ５４は、ホットシンクを熱交換器５０に接続する。特定の例示の例では、コールドシンクは、コールドヘッド４２、４４と、ヘリウムタンク４６とを含み、一方、ホットシンクは、１つ又は複数の磁石コイル２０を含む。しかしながら、より一般的には、コールドシンク及びホットシンクは、それぞれの第１及び第２の流れループ５２、５４によって熱交換器５０に接続される任意の質量体であり、コールドシンクは、ホットシンクよりも低い温度である。極低温冷却デバイスでは、コールドシンクはまた、室温より低い温度である。説明を明瞭にするために、図１では、第１の流れループ５２は実線を使用して描かれており、一方、第２の流れループ５４は点線を使用して描かれている。
【００３０】
熱交換器５０は、第１の流れループ５２の流れと第２の流れループ５４の流れとを十分に接近させて、第２の流れループ５４内を流れる暖かい冷却剤流体から第１の流れループ５２内を流れる冷たい冷却剤流体への適切に効率的な伝熱を可能にする構成を使用する。例えば、熱交換器はシェルアンドチューブ構成（図示せず）を有し、一方の冷却剤流体は、他方の冷却剤流体が流れる周囲のシェルに含まれる管内を流れる。最大の熱伝達効率のために、パイプ内の流れがシェル内の流れと反対方向である向流構成が実施されるべきである。より一般的に、熱交換器の特定のレイアウトは、三角形の流れ方向インジケータによって図１の熱交換器に概略的に示されている向流構成を規定する。
【００３１】
前に論じたように、第１の流れループ５２及び第２の流れループ５４における適切な流れ方向は、ループの適切なレイアウトによって確立される。しかしながら、本明細の他のところで開示しているようにこの手法には欠点がある。本明細書で開示する実施形態では、熱交換器５０において向流を達成するために適切な流れ方向を確実にするのに、受動一方向バルブ６２、６４が設けられる。より詳細には、第１の受動一方向バルブ６２は、第１の流れループ５２に配置され、第１の流れループ５２における許容流れ方向Ｆ１の流れを許容し、第１の流れループ５２における反対の阻止流れ方向の流れを阻止するように方向付けられる。同様に、第２の受動一方向バルブ６４は、第２の流れループ５４に配置され、第２の流れループ５４における許容流れ方向Ｆ２の流れを許容し、第２の流れループ５４における反対の阻止流れ方向の流れを阻止するように方向付けられる。受動一方向バルブ６２、６４の方位は、第１の流れループ５２における許容流れ方向Ｆ１の流れと第２の流れループ５４における許容流れ方向Ｆ２の流れとの組合せが、熱交換器５０において向流を生成するように選ばれる。２つの受動一方向バルブ６２、６４は、２つの流れループ５２、５４に確立される流れ方向が熱交換器５０に向流を与えるように正しく方向付けられるという積極的保証を提供する。
【００３２】
超伝導磁石コイル２０の冷却に関するより具体的な例として、第１の流れループ５２は、作動流体として（すなわち、冷却剤流体として）ヘリウム流体を含む。第１の流れループ５２内のヘリウム流体は、高圧に、例えば、いくつかの実施形態では最初に２０００ｐｓｉより高く維持される。最初、このヘリウム流体は、単相のヘリウムガスである。しかしながら、コールドヘッドが動作してヘリウムガスを冷却するとき、コールドステーション４４は、最終的に、第１の流れループ５２の圧力のヘリウムが液化し始める温度（例えば、一般に、圧力に応じて約３Ｋから４Ｋ）に達する。それにより、第１の流れループ５２にヘリウム流体がもたらされ、それは、ヘリウムガス及び液体ヘリウム（ＬＨｅ）の二相混合物に移行する。ヘリウムタンク４６は、ＬＨｅがヘリウムタンク４６の底部に集まる気液分離器として働き、第１の流れループ５２内のヘリウム流体を極低温に維持し、コールドヘッド４２、４４への電力を一時的に失った場合の磁石のクエンチングを遅らせるための冷却剤貯蔵部を提供する。第１の流れループ５２の圧力はまた、ヘリウムが最終動作状態で部分的に液化されるので、冷却の間に数ｐｓｉの程度（例えば、いくつかの実施形態では約８ｐｓｉ）の圧力まで減少する。
【００３３】
第２の流れループ５４も、作動流体（すなわち、冷却剤流体）としてヘリウム流体を含む。しかしながら、第２の流れループ５４のヘリウム流体は、冷却の間、気相のままであり（これは、熱によるサイホン流れが冷却の間、維持されることを保証する）、そのために本明細書ではヘリウムガスと呼ぶ。典型的な実施形態では、第２の流れループ５４内のヘリウムガスは、最初に数百ｐｓｉであり、最終的に、約３Ｋから４Ｋの温度、すなわち、第１の流れループ５２内のヘリウム流体の温度（わずかに上であるが）に匹敵する温度まで冷却する。いくつかの例示の実施形態では、動作状態において、第２の流れループ５４内のヘリウムガスも、やはり、最終動作状態で数ｐｓｉの圧力である。
【００３４】
上記のように、第２の流れループ５４内の流れは、熱サイホン動作によるものである。第２の流れループ５４内の流れを駆動するのに機械式ポンプは接続されない。第１の流れループ５２内の流れは、コールドヘッド４２、４４の冷却動作による自然循環によって駆動される。受動一方向バルブ６２、６４も、好ましくは受動デバイスである。その結果、極低温冷却デバイス４０は、有利には、コールドヘッド４２、４４のピストン又は他の機構を駆動する電気機械入力を除いて完全に受動的である。その上、受動一方向バルブ６２、６４によって与えられる流れ方向バイアスにより、冷却デバイス４０の構成要素と流れループ５２、５４の空間レイアウトとは、有利には、これらの構成要素の適正な構成及び流れループのレイアウトによる重力利用の流れバイアスを用意する必要なしに、任意のやり方で配置される。
【００３５】
図３を参照して、受動一方向バルブ６２、６４の例示の実施形態を説明する。この例示の実施形態では、各受動一方向バルブはテスラバルブである。例えば、Ｎｉｋｏｌａ  Ｔｅｓｌａ、米国特許第１，３２９，５５９号（１９２０年２月３日に発行された）を参照されたい。図３は、例証となる例として一方向バルブ６２を示すが、他の一方向バルブ６４も同じ構造を有することができる。例示のテスラバルブ６２は、ミル加工されたテスラバルブ導管パターン７２を有する第１のステンレス鋼ブロック７０と、ミル加工されたテスラバルブ導管パターン７６を有する第２のステンレス鋼ブロック７４とを含む。第１及び第２のステンレス鋼ブロック７０、７４は、ろう付け接合部７８を形成するために例えばろう付けによって一緒にハーメチックシールされ、第１及び第２のステンレス鋼ブロック７０、７４のテスラバルブ導管パターン７２、７６が、ハーメチックシールされた第１及び第２のステンレス鋼ブロックを通過するテスラバルブ導管８０（図３の組み立て済み一方向バルブ６２では点線で示される隠されたフィーチャ）を画定して、一方向バルブ６２を形成する。
【００３６】
参照により全体が本明細書に組み込まれる米国特許第１，３２９，５５９号においてより詳細に説明されているように、テスラバルブ導管は、許容流れ方向（図３では左から右の方向）の流体流れに対して比較的妨げられない経路を示すが、阻止流れ方向（図３では右から左の方向）の流体流れに対して蛇行性流路を示す。本明細書で開示する製造手法は、低分子密度ヘリウム作動流体に対してさえ漏洩を無視できるテスラバルブ導管８０のハーメチックシールを行うために、大きい接触区域を有するろう付け接合部７８によるテスラバルブを提供する。ミル加工されたテスラ導管パターン７２、７６を有するステンレス鋼ブロック７０、７４のろう付けは好ましい手法であるが、テスラ導管パターン７２、７６を形成するのに、及び／又は接合部７８を形成するために２つのブロック７０、７４を接合するのに、他の機械加工技法が使用されてもよい。
【００３７】
テスラバルブは、極低温冷却デバイス４０の受動一方向バルブ６２、６４としての使用に十分に適している。その理由は、これらのバルブ６２、６４が、許容流れ方向対阻止流れ方向において非常に高い差異抵抗を有する必要がないからである。前に述べたように、それぞれの第１及び第２の流れループ５２、５４の流れ方向は、他方向に対する一方向の流れの総合的抵抗によって初期起動時に決定される。したがって、受動一方向バルブ６２は、許容方向Ｆ１の第１の流れループ５２の総合的流れ抵抗が反対方向の流れ抵抗よりも低いことを保証にするのに十分な方向性バイアスを有しさえすればよい。同様に、受動一方向バルブ６４は、許容方向Ｆ２の第２の流れループ５４の総合的流れ抵抗が反対方向の流れ抵抗よりも低いことを保証するのに十分な方向性バイアスを有しさえすればよい。テスラバルブは、このレベルの方向性バイアスを容易に提供することができる。
【００３８】
図４を参照すると、テスラバルブは極低温冷却デバイス４０の受動一方向バルブ６２、６４の好ましい実施形態であるが、より一般的には、任意のタイプの一方向バルブを使用することができる。図４は、フラップチェックバルブ設計の代替受動一方向バルブの実施形態を示す。バルブ本体９０（例えば、短い長さのパイプ又は管）が、フラップチェックバルブを通る流路を画定し、ヒンジ型バルブフラップ９２がバルブシート９４と嵌合し、その結果、バルブフラップ９２が、許容方向の流れ（図４の左から右への）を許容するように一方向に（図４の右側に）のみバルブシート９４から離れることができ、一方、阻止方向の（図４の右から左への）流れが、バルブフラップ９２をバルブシート９４にしっかりと押し込んで流れを阻止する。そのようなバルブは、受動一方向バルブ６２、６４としての使用に適しているが、作動流体が残留水分を含んでいる場合の極低温でのヒンジの凍結の可能性等の多少の不都合がある。
【００３９】
ヘリウム作動流体で動作する極低温冷却デバイス４０のコンテキストで説明しているが、開示する改良は、より一般的には、任意の極低温冷却デバイスにおいて、例えば、液体窒素、空気、冷水、又は別の作動流体を使用するものにおいても使用することができることが理解されよう。開示する改良は、更により一般的には、熱交換器と、熱交換器内に向流を生成するそれぞれの第１及び第２の流れループの許容方向の流れの組合せを保証するように方向付けられた受動一方向バルブをもつ第１及び第２の流れループとを含む任意の熱サイホン冷却デバイスを含むことができる。
【００４０】
例示の実施形態、例えば図２では、熱交換器５０は、流れＦ１、Ｆ２が直接熱的に結合される単段熱交換器である。他の実施形態では、熱交換器が多段熱交換器であることが考えられ、少なくとも１つの中間流れ（ＦＩ、図示せず）が、２段で熱を間接的に移送する（Ｆ２→ＦＩ→Ｆ１）ために流れＦ１と流れＦ２とに熱的に結合される。そのような多段熱交換器を使用する場合、一方向バルブ６２、６４は、（多段）熱交換器に流れＦ１、Ｆ２の向流を確立するために正しい流れ方向を確立するのに依然として有利に使用される。追加として、第３の一方向バルブ（図示せず）が、好ましくは、中間ＦＩ流体ループに向流のための正しい流れ方向を確立するために含まれる。
【００４１】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明した。前述の詳細な説明を読み理解する際、変更及び改変を他の人が思いつくことがある。本発明は、すべてのそのような変更及び改変が添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内に入る限り、それらを含むと解釈されるように意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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