JPH0447964B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、主として核スピン断層撮影設備の
磁石系に対する冷却装置に関するものである。こ
の磁石は通常伝導材料のテープで作られた平板状
のコイル巻線を備え、その両前面には冷却要素が
大きな面積に亘つて伝熱的に結合され、強制通流
冷却剤によつて冷却される。

〔従来の技術〕

この種の冷却装置が磁石系に使用されることは
文献「Computertmographie」第１巻（1981）
p.2〜10に示されている。

医学診断の分野では原子核例えば陽子の積分共
鳴信号の計算機を使用するか測定技術による分析
に基いて対象身体中のスピン密度又は緩和時間の
空間分布からＸ線断層写真に似た画像を構成する
画像法が開発されている。この方法は核磁気共鳴
撮影法又はツオイグマトグラフイとも呼ばれてい
る（“Nature”、vol.242、1973、p.190〜191）。

核磁気共鳴断層撮影設備に対しては核磁気共鳴
信号を強めるため強力な基底磁場が希望され、こ
の基底磁場には高い均等性が要求される。例えば
直径約50cmの球状の体積内で磁場の変動が50ppm
以下である磁石系が要求されている。

このような磁石系の基底磁場は一般に四個又は
それ以上の回転対象形コイル巻線によつて作られ
る。このコイル巻線は磁場の強さが約250ｍＴま
での場合通常伝導性の良導体で作られる。巻線の
構成にはビツタ・コイルと呼ばれている平板上の
もの、内部冷却型の管状中空導体又は幅の広い金
属テープが使用される。例えば銅又はアルミニウ
ムの金属テープを使用すると比較的簡単な操作で
高精度の結合が可能である。前記の文献に示され
ている磁石系では、その四個のコイル巻線がアル
ミニウムテープで作られている。

上記のような強磁場を作るために必要な電力は
極めて大きく、しかも実質上全部が熱に変換され
るから、100kW程度のジユール熱を少くとも部
分的に適当な冷却手段によつて放出させなければ
ならない。しかもその際個々のコイル巻線の過大
の変形は磁場の均等性の要求から許されない。更
に技術的な安全性、例えば電気絶縁を維持するた
め巻線の温度も一定の限界値を越えてはならな
い。このことからコイル巻線の温度を高度に安定
化することが断層画像の質を低下させる磁場の変
動を防ぐ点から要求される。

公知の磁石系では幅の広い金属テープが薄い絶
縁層と共に100乃至300ターン巻かれているから半
径方向の熱伝導は不良であり、有効な冷却はコイ
ルの両方の前面からだけ可能である。核スピン・
トモグラフイに使用する場合コイル巻線が比較的
近接して設けられているから、コイル前面に置か
れる冷却手段は大きな場所をとらないものでなけ
ればならない。更にグラジエント・コイル、高周
波コイルおよび被検体の収容場所となつている半
径方向の内室には冷却装置の突き出しが許されな
い。

従つて公知の磁石系では個々のコイル巻線を冷
却するため巻線の両面にそれぞれ一つの大きな環
状のアルミニウム板を設け、これに圧縮した銅管
を取りつけ冷却媒体として水を強制的に流す。こ
の冷却管を取りつけた環状の板が冷却要素となつ
ている。各巻回の両面の冷却要素は互にねじ締め
することによりそれぞれの前面に保持される。そ
の際冷却要素と巻線の間の熱接触は永続可塑剤に
よる。接着剤は冷却要素と巻線前面の間の熱応力
によつて破断される。可塑剤の厚さは比較的厚く
選ばれ、その熱抵抗がそれに応じて大きくなる。
更にこの固定法の場合冷却要素が巻線表面上で移
動し、各巻線の位置合せがそれに応じて乱され
る。

〔発明が解決すべき問題点〕

この発明の目的は、冒頭に挙げた冷却装置を改
良して、上記の難点が少くともある程度まで除去
され、金属テープで作られたコイル巻線の確実な
前面冷却を可能にして、核スピン断層撮影世知美
に対する要望が満たされるようにすることであ
る。

〔問題点の解決手段〕

この目的は、コイル巻線の各前面に特定数の同形
の冷却要素を周辺方向に規則的に配置して接着
し、その際各冷却要素に少くとも一つの円環セク
タ形の伝熱板をとりつけ、この伝熱板には特定数
の切り込みを周辺方向に規則的に分布して設け、
更に伝熱板を複数回巻かれた冷却剤導管に伝熱結
合することによつて達成される。

〔作用効果〕

この発明による冷却要素の構成と使用される冷
却要素の個数、従つて各要素の周辺方向の拡がり
を考慮すると、冷却要素はたわみ性にしてそれぞ
れのコイル巻線に直接接着させるようにすると有
利である。このコイル巻線は周辺方向においては
比較的堅く、公知構造のように巻線と冷却要素の
間に温度差があると強い機械的応力が発生して接
着部が破断されることがある。これを考えてこの
発明の冷却装置では冷却要素が周辺方向で微細セ
グメントに分割されているから、冷却要素と巻線
の間の熱膨張の差に基く接着部の破断を恐れる必
要はない。ただ巻線と冷却要素の間の接着剤の層
を比較的薄くしてその間の熱抵抗が小さくなるよ
うにする。この外にも冷却装置を多数の扇形冷却
要素から構成し、その巻線前面の占有面積を小さ
くすることは製作を容易にする。

この発明による冷却装置の有利な実施態様は特
許請求の範囲第２項以下に示されている。

〔実施例〕

図面についてこの発明とその展開を更に詳細に
説明する。

この発明による冷却装置は特に前記の文献
（Computertomographie、第１巻（1981）、p.2〜
10）に記載されている種類の核スピン断層撮影装
置の磁石系に使用されるものである。この磁石系
は例えば４個乃至６個の環板状磁石コイル巻線か
ら構成され、これらの巻線は一つの軸に沿つて前
後に並べて配置されている。各コイルは通常伝導
材料、例えば銅又はアルミニウムのテープを巻い
たもので、各巻回の間は薄い電気絶縁層で分離さ
れている。巻線は環状の前面を持ち、そこにこの
発明による冷却装置がとりつけられる。この冷却
装置は特殊形態の冷却要素を備えているが、その
二種類の実施形態が第１図乃至第４図に示されて
いる。

第１図にその正面を示した冷却要素２は、環板
の一つの断片の形の伝熱板３を備える。この断片
は冷却装置の円周全体の1/6（60°）を占めるか
ら、図面には示されていない環板状の磁石巻線の
前面には６個の同じ形の冷却要素２が設けられ
る。各巻線前面には少くとも４個の冷却要素を設
けるのが有利である。伝熱板３には第２図に詳細
を示した冷却剤導管４が例えば鋳造によつて組合
わされ伝熱結合される。この導管には銅のような
熱の良導体が利用され、その形はシノイド形又は
メアンダー形とするのが有利である。この導管に
は冷却媒体Ｍ例えば水、油又は高速空気流を流
す。冷却媒体Ｍの流れは破線ｓおよび矢印５，６
で示されている。伝熱板３従つて冷却要素２全体
の充分な伸長性を確保するため、伝熱板３に半径
方向の切り込み７が入れられる。この切り込みは
冷却剤導管４で覆われた巻線前面区域内に伸びて
いるが、直接冷却剤導管には達していない。これ
によつて伝熱板は冷却剤導管に対応する形態とな
り、冷却剤導管は常に伝熱板材料に接している。
切り込みの個数は、隣接する切り込みの間の中心
角αが最高20°、最適には10°以下となるように選
定される。図示の実施例では伝熱板３が９本の切
り込みにより規制的に分割されているので、αは
6°となる。

冷却要素２の半径方向の拡がりａは、巻線がそ
の半径方向の絶端である程度の柔軟性を残してい
る限り余り問題にする必要はない。コイル巻線の
内部で個々のアルミニウムテープを固定するには
テープの中央部を互に接着しておけばよい。テー
プの側縁部である区域を自由にしておき、巻線の
縁端が冷却要素の熱膨張に追従できるようにする
と有利である。冷却要素の接着にはAl₂O₃又は石
英を充填した接着剤、例えばエポキシ樹脂系のも
のが好適である。この接着剤は充分良好な熱伝導
性を示し、しかも充分な硬度を持ち冷却要素に対
して他の機械的固定手段を必要としない。

冷却要素はこの発明による構成によつて巻線の
前面に適合できるので、その製作の許容差は接着
剤の厚さだけに影響を及ぼす。これによつて１mm
という有利な接着剤の厚さが達成される。この層
は電気絶縁にも使用されるので、一般に最低の厚
さを確保する必要がある。そのために多孔質のガ
ラスフアイバフリースを接着層の補強に使用する
と有利である。

第２図に第１図の冷却要素の曲線−に沿う
縦断面を示す。第１図と対応する部分は同じ番号
で示されている。第２図から冷却剤導管４の断面
形状が明らかである。

第１図および第２図において冷却要素２はアル
ミニウムに鋳込んだ銅管であるが、その他の材料
例えばアルミニウム、鋼、洋銀から成り、又断面
形状を異にする管を使用することも可能である。
伝熱板３も二枚の平板を組合せて作ることができ
る。この平板はその一部を切り取り、二枚を組合
せたとき冷却剤導管を通す孔が形成されるか、あ
るいは直接冷却剤導孔を形成するようにする。更
に冷却剤導管の断面形状も一つの伝熱板の対応す
る形状の孔に適合させることができる。冷却剤導
管を薄い金属板で作ることも可能である。この金
属板は伝熱板の表面に冷却剤通路に対応する形状
で溶接し、加圧して適当な冷却剤通孔断面形状と
する。

この発明の別の実施例の正面を第３図に、その
曲線−に沿う断面を第４図に示す。ここでは
１０として示されている冷却要素は、その伝熱板
１２の切り込みが半径方向の拡がり全体に亘つて
作られ伝熱板が対応数の同形セグメント１３に分
割されている点で第１図、第２図の冷却要素２と
異つている。この銅板で作られた伝熱板１２の各
セグメントは冷却剤導管１４に伝熱結合される。
この冷却剤導管は例えば四角断面の銅管であり、
伝熱板セグメント１３にはんだ付けされる。冷却
剤導管の断面形状は四角以外のもの、例えば環の
形であつてもよい。更にその材料も銅以外の例え
ばアルミニウムでもよい。アルミニウムの冷却剤
導管１４は伝熱板としてのアルミニウム板１２に
溶接する。

この発明による冷却装置をとりつける環板状の
磁石コイル巻線に対しては、一般に少くとも二つ
の互に無関係な並列又は逆並列冷却剤流が使用さ
れる。この場合一つのコイル巻線の両方の環状前
面が一般に理想的な平坦面でなく、互に異つた状
態の面であることを考慮に入れておかなければな
らない。この面状態の差異によりそれにとりつけ
られた冷却要素との間の熱交換の効力が異る。従
つて両方の冷却剤流の負荷をできるだけ等しくす
るため、冷却剤流がコイル巻線の両面を交互に通
過するようにする。このような冷却剤流の情況を
第５図に示す。円環状の磁石コイル巻線Ｗの上面
ｖと下面ｈにそれぞれ６個の同形の冷却要素（第
１図又は第３図）が設けられる。図を簡単にする
ため巻線を一平面に拡げて示し、各冷却要素は一
直線に伸ばした360°の巻線環上に配置されてい
る。更に例えば第３図に示した冷却要素が破線で
示され、上面にあるか下面にあるかに応じて10ｖ
又は10ｈとなつている。互に逆並列に流れる冷却
剤流ＡとＢの流れの方向は矢印で示されている。
両方の冷却流の冷却剤は入口２０又は２１に導入
され、出口２２又は２３から排出される。図から
分るように冷却剤の流れは異る前面にあつて、隣
り合つた冷却要素において互に逆向きである。又
同じ前面上で隣り合つた冷却要素においても冷却
剤の流れは互に逆向きであるが、この冷却剤の流
れｓは冷却剤流ＡとＢの中の異つたものに属して
いる。

第１図と第３図の冷却要素は冷却導管がシノイ
ド形又はメアンダー形であるとしたものである
が、冷却剤導管の形状は伝熱板との間に大面積の
伝熱結合が確保される限り他の形状とすることも
可能である。そのためには冷却剤導管が常に複数
の巻回をもつて伝熱板に伝熱結合されなければな
らない。一例を挙げれば冷却剤導管を一つ又は複
数の渦巻きの形として伝熱板にとりつけるか差し
込む。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図はこの発明の第１の実施例の上
面図と断面図、第３図と第４図は第２の実施例の
上面図と断面図であり、第５図はこの発明による
冷却装置と冷却要素とコイル巻線との結合情況を
示す。第１図、第２図において２は冷却要素、３
は伝熱板、４は冷却剤導管であり、Ｍは冷却剤を
表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 各コイル巻線Ｗのそれぞれの前面に規定数の
   同形の冷却要素２，１０が規則的に分布して接着
   され、各冷却要素は少くとも一つの円環セクタ形
   の伝熱板を備え、この伝熱板には規定数の切り込
   み７，１１が周辺方向に規則的に分布して設けら
   れ、複数の巻回を持つ冷却剤導管がこの伝熱板に
   伝熱結合されていることを特徴とする通常伝導材
   料のテープで作られた環板状の磁石巻線を備え強
   制通流冷却剤によつて冷却される磁石系の冷却装
   置。 ２ 切り込み７，１１が半径方向に入れられてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   装置。 ３ 隣り合せた切り込みの間にはさまれた弧の中
   心角（α）が最高20°、特に10°以下であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載
   の装置。 ４ 冷却剤導管４，１１が正弦曲線状又は蛇行状
   に曲げられていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項乃至第３項の一つに記載の装置。 ５ 冷却剤導管が螺旋形に曲げられていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項の一
   つに記載の装置。 ６ 冷却剤導管４がそれぞれの伝熱板にはめ込ま
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   乃至第５項の一つに記載の装置。 ７ 冷却剤導管１４がそれぞれの伝熱板１２の上
   に設けられていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項乃至第５項の一つに記載の装置。 ８ 伝熱板１２の切り込み１１が伝熱板の半径方
   向の幅の全体に亘つて切られていることを特徴と
   する特許請求の範囲第７項記載の装置。 ９ 二つの並列又は逆並列の冷却剤流Ａ，Ｂが各
   磁石コイル巻線Ｗの両面ｖ，ｈに設けられている
   ことを特徴とする特許請求範囲第１項乃至第８項
   の一つに記載の装置。 １０ 冷却剤導管４，１４上で隣り合わせる冷却
   要素２，１０の前面のそれぞれに互に逆向きの冷
   却剤流が設けられていることを特徴とする特許請
   求の範囲第９項記載の装置。 １１ 各磁石コイル巻線Ｗの両方の前面の間で冷
   却剤Ａ，Ｂの流れが交替していることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１０項記載の装置。 １２ 各磁石コイル巻線Ｗに対して少くとも四個
   の同形の冷却要素２，１０が設けられていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第１１項
   の一つに記載の装置。 １３ 冷却要素２，１０と磁石コイル巻線Ｗの前
   面ｖ，ｈの間の接着剤層がガラスフアイバによつ
   て補強されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項乃至第１２項の一つに記載の装置。 １４ 導体が周縁方向に伸びる中央区域だけで互
   に接着されてコンパクトな巻回となつている環板
   状の磁石コイル巻線に対して使用されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項乃至第１３項の一
   つに記載の装置。