JP5746626B2 - 極低温再液化冷凍機用の水平フィンによる熱交換器 - Google Patents

Description

本願は低温磁気技術に関する。本願には、超伝導マグネット用いる磁気共鳴システムと併用される特定用途がある。また本願については、特定の実施例を参照することで説明する。しかしHe蒸気の再液化を含む他の用途にも利用される。

多くの磁気共鳴システムは、高磁場−たとえば1.5T、3T、7T等−を効率的に得るため、超伝導マグネットを利用している。超伝導マグネットは、動作中の超伝導マグネットコイルを流れる電流が超伝導状態となる臨界温度未満の温度に維持される。超伝導温度は典型的には、窒素が液化する77Kよりも低いので、液体Heは、超伝導マグネットを冷却するのに広く用いられている。

閉ループHe冷却系では、真空ジャケットのHeデュワーが液体He内に浸漬された超伝導マグネットを有する。液体Heはゆっくりと蒸発するので、液体Heは再液化されることで閉じた系を形成する。He蒸気は、Heが再液化する温度にまで冷却された再液化面を有するコールドヘッド−He蒸気再液化器としても知られている−と接している。

一部の再液化器では、再液化面は、垂直に設けられた滑らかな金属構造−たとえばシリンダ−を有する。その滑らかな金属構造上でHeは再液化する。再液化した液体Heは、再液化面の底部へ向かうように下へ流れ、デュワー内部の液体He容器へ入り込む。冷却面での再液化は、膜の凝縮又は滴状の凝縮で起こると考えられる。主な凝縮の状態は膜の凝縮で、液体膜が凝縮面全体を覆っている。重力の作用下で、膜は表面から連続的に流れる。しかし液体Heは、比較的厚いHe膜を垂直面上で支えることが可能なほど十分高い表面張力を有する。

一部の再液化器では、再液化面は、流れの方向へ向かって表面に沿って延在する滑らかな長手方向（垂直）フィンを有する。係るフィンが表面積を増大させるとしても、そのフィンは、該フィンに沿って厚い膜を形成し、かつ再液化面端部にて液滴を形成してしまう。

係る極低温再液化器が有効である一方、本願発明者らは、再液化面上の液体He膜が、その再液化面とHe蒸気との間で絶縁層として働くことで、再生極低温冷凍機システムの効率を低下させてしまうことを認識していた。

本願は、上述の問題及び他の問題を解決する改善されたシステム及び方法を供する。

一の態様によると、極低温システムが供される。液体He容器は液体Heを有する。超伝導マグネットコイルは前記液体He容器内で浸漬される。液体He再液化器は滑らかな再液化表面を有する。前記滑らかな再液化表面上でHe蒸気は再液化する。前記滑らかな再液化表面は構造によって間断的に妨害される。前記構造により、凝縮する前記液体Heは、前記再液化器の全長まで進行することなく前記再液化表面を離れ、かつ/又は、前記の再液化表面上のある厚さの液体He膜は***する。

他の態様によると、液体He内に浸漬された超伝導マグネットを維持する方法が供される。前記液体Heから蒸発するHe蒸気は、滑らかな再液化表面上で再液化されることで、前記再液化表面上に液体He膜が生成される。前記液体He膜は、前記滑らかな再液化表面に沿って間断的に分離される。

本方法のさらに他の態様によると、前記液体Heは、前記滑らかな再液化表面の全垂直長を進行することなく前記再液化表面を離れる。

別な態様によると、再液化器は、垂直軸に沿ってマウントされる滑らかな表面を有する被冷却対象物を有する。それにより、前記表面上の液体は重力によって前記表面の下端へ向かって流れる。複数のフィンが前記滑らかな表面の周囲で延在する。各フィンの上端には、直上の滑らかな表面部がかぶせられる。各フィンの下端は前記上端よりも長い周囲を有する。滑らかな傾斜面が、各フィンの前記上端と下端との間で画定される。

一の利点は、再液化器の効率が改善することである。

他の利点は、再液化システムのエネルギー消費が少なくなることである。

さらに他の利点は、以降の詳細な説明を読んで理解することで、当業者には明らかとなる。

再生極低温冷凍機を備えたヘリウム容器を有する磁気共鳴システムの概略断面図である。 水平フィンを備える再液化器の側面図である。 螺旋状の溝を備える再液化器の第2実施例の側面図である。 対向するピッチの螺旋状の溝を備える再液化器の側面図である。

本発明は、様々な構成部品及び構成部品の配置並びに様々な工程及び工程の順序をとっても良い。図は例示の実施例を示すことを目的としているに過ぎず、本発明を限定するものと解されてはならない。

図1を参照すると、水平ボア型システムとして図示されている磁気共鳴システム10は環状筐体12を有する。環状筐体12は、略円筒形の水平配置されたボア16を取り囲んで画定する内部円筒壁14を備える。水平ボア型システムが図示されているとはいえ、本願発明の基本思想は、超伝導開口磁気共鳴システム、C磁石等にも適用可能であることに留意して欲しい。

図示された磁気共鳴システム10は超伝導マグネットコイル20を有する。超伝導マグネットコイル20は、少なくともほぼボア16の等角点（付近）に位置する検査領域内においてボア16と軸を共有する配置をとる静磁場(B₀)を発生させるように備えられている。図示されたシステムでは、超伝導マグネットコイル20は略ソレノイド構成を有する。前記略ソレノイド構成では、超伝導マグネットコイル20はボア16の周囲で軸を共有した状態で巻かれている。しかし他の構成も考えられる。それに加えてアクティブシムコイル(active shim windings)、パッシブスチールシム(passive steel shim)、及び他の構成部品（図示されていない）もまた供されて良い。

所望の大きさの静磁場を発生させるのに十分な電流を維持しながら超伝導マグネットコイル20を超伝導臨界温度未満に保持するため、超伝導マグネットは、液体ヘリウムLH内に浸漬される。液体ヘリウムLHは、外壁22、内側環状壁24、及び側壁26によって画定される略環状の液体ヘリウム容器又はデュワー内に設けられる。断熱を供するため、外壁22は真空ジャケット28によって取り囲まれる。

簡明を期すため図1の概略図には示されていないが、真空ジャケットは一般的には側壁26のためにも供される。他の断熱材−たとえば周囲を取り囲む液化窒素ジャケット又はデュワー−もまた考えられるが、図1には図示されていない。当該磁気共鳴システムは他の構成部品、任意の全体が円筒形の高周波コイル、任意の局所高周波コイル（アレイ）等を有する。他の構成部品とはたとえば、一般的に内部シリンダ14内で内部シリンダと軸を共有するように設けられている1つ以上の円筒形の巻枠(former)上に設けられた1組の磁場勾配コイルである。任意の全体が円筒形の高周波コイルとはたとえば、円筒壁14内部で軸を共有するように設けられた1つ以上の円筒形誘電巻枠上に設けられる。任意の局所高周波コイル（アレイ）は、対象物の関心領域に近接するボア内部の重要な位置に一般的には設けられる。図1に図示されていない他の構成部品は、磁場勾配コイルと高周波送信コイルを操作する電子機器、及び、磁気共鳴像を再構成、磁気共鳴分光の実行、又は取得された磁気共鳴データの処理若しくは解析を行うデータ処理部を有する。

液体Heは、壁22、24、26、周囲を取り囲む真空ジャケット28、及び他の断熱部材によって実質的に断熱されている。しかし他の熱源と一緒になることで断熱が不完全となれば、液体ヘリウムLHの蒸発は一般に遅くなる。このことは、図1において、液体ヘリウムLHの表面上方で回収される蒸気ヘリウムVHの領域によって概略的に示されている。超伝導マグネットコイル20は液体ヘリウムLH内で浸漬される。

閉ループ極低温冷凍機システムを供するため、ヘリウム蒸気VHは、液体ヘリウム容器の外側に設けられているが首部32を介して液体ヘリウム容器と接続する再液化器30上で再液化される。再液化器30は、極低温冷凍機モータ36によって駆動されるコールドヘッド34によってヘリウム蒸気の凝縮を促進するのに十分低い温度−たとえば約4.2Kよりも低い温度−に保持される。極低温冷凍機モータ36は電気伝導性コイルを有するので、極低温冷凍機モータ36は、超伝導マグネットコイル20によって発生する磁場の外側に設けられることが好ましい。振動を分離するため、極低温冷凍機モータ36は可撓性結合体40を介してマウントされる。

動作時においては、蒸気ヘリウムVHは、首部32へ入り込むように広がり、かつ再液化器30と接する。蒸気ヘリウムVH再液化器30と接する場所では、蒸気ヘリウムVHが液化して、凝縮された液体ヘリウム−具体的には液体ヘリウム膜−となる。再液化表面が液体ヘリウム容器上方に位置するので、凝縮した液体ヘリウムは、重力の影響下で、液体ヘリウム容器又はデュワーへ落ち込む。

引き続き図1を参照し、かつさらに図2を参照すると、再液化器30は、滑らかな略円筒形の再液化表面50を有する。前記滑らかな略円筒形の再液化表面50は、半径方向に延在するフィン又は構造52によって周期的に妨害されることによって、複数の表面部位を形成する。円筒形再液化表面50によって、フィン52は環状である。当然のこととして、再液化表面50とフィン52の断面は他の形状も考えられる。このようにして、滑らかな再液化表面50は、シャープエッジ56で終端する先細り表面54を画定するフィン52によって周期的に妨害される。

再液化器30上でのヘリウム蒸気の凝縮は2つの状態で生じうる。滴状での凝縮と膜状での凝縮である。主な凝縮の状態は膜状の凝縮である。膜状の凝縮は、液体膜が冷却表面全体を覆うときに起こる。重力により、この膜は、上部から底部へ徐々に流れ落ちる。それによりその表面は凝縮層で覆われる。その膜の厚さは再液化器30の下端へ向かって増大する。図示された実施例では、フィンの底面は加工操作による製造を助けるため、水平である。当然のこととして、複数の部材も考えられる。3つのフィンを備える図示の実施例では、再液化表面は4つの小さな部分に分割される。前記4つの小さな部分が支持する膜の厚さは、大きな表面が支持する膜の厚さよりも薄い。

フィン52は2つの機能を実行する。第1に、フィン52は各フィン同士の間に位置する滑らかな再液化表面50上に形成される膜を***させる。このことはつまり、膜の一部の高さつまりは厚さが制限される。第2に、フィン52のシャープエッジ56が、再液化された液体ヘリウム滴が落ちるドリップエッジを形成する。よって再液化表面50から滴が取り除かれ、かつその滴はデュワーへ戻される。

再液化器30による冷却率は、表面とヘリウム蒸気との間での伝熱係数の関数である。伝熱係数はh=K_l/δで表される。ここで冷却率hは、膜の厚さδによって除された熱伝導率K_lに比例する。熱伝導率K_lが減少し、かつ厚さδが増大するときには、この冷却は、当然のこととして減少する。よって液体ヘリウムコーティングの厚さが増大すればするほど、冷却速度は低下し、かつ再生極低温冷凍機の効率は低下する。液体ヘリウム膜を薄くして、かつ再液化器30から液体ヘリウムを除去することで、より効率的なヘリウム蒸気の冷却と再凝縮が促進される。

図3を参照すると、再液化器30は、円筒形以外の形状−たとえば先細り形状、切頭錐体形状−の再液化表面50を有して良い。さらに滑らかな表面への妨害は、リブ又は内側で延在する溝52’を与えることによって供されて良い。繰り返しになるが、溝52’は、再液化器の底部に到達する前に、再液化表面に沿った中間位置での液体ヘリウムの除去を助けるシャープエッジ56’を有する。しかも繰り返しになるが、液体ヘリウム膜の妨害はその膜の厚さを減少させる。フィン52に似たチャネル52は一連の環状リングであって良い。あるいはその代わりに、フィン又は溝は、図3に図示された1つ以上の螺旋であっても良い。その螺旋は、1つの溝若しくはフィン、又は複数の互いに平行な溝若しくはフィンを有して良い。

図4を参照すると、溝又はフィンの螺旋パターンは、再液化表面50’’上のクロスハッチパターンを形成する実質的に反対向きのピッチをなす2つ以上の螺旋溝52’’を有して良い。それにより、短い垂直路が、溝間の再液化表面の一部分に沿って生成される。

Claims (15)

1. 液体Heを有する液体He容器；
   前記液体He容器内で浸漬される超伝導マグネットコイル；
   滑らかな再液化表面を有する液体He再液化器；
   を有する極低温システムであって、
   前記滑らかな再液化表面上でHe蒸気は再液化し、
   前記滑らかな再液化表面は構造によって間断的に中断され、
   前記構造により、凝縮する前記液体Heは、前記再液化器の全長まで進行することなく前記再液化表面を離れ、かつ/又は、前記の再液化表面上のある厚さの液体He膜は***し、
   前記再液化表面が、上側の垂直端部から下側の垂直端部に向かって先細り形状をとる、
   極低温システム。
2. 前記構造は、フィン及び溝のうちの少なくとも1つを有する、請求項1に記載の極低温システム。
3. 前記再液化器の滑らかな再液化表面は垂直に配置され、
   前記フィン及び溝のうちの少なくとも1つは、前記の略円筒形状の再液化表面の周囲を延在する、
   請求項2に記載の極低温システム。
4. 前記再液化器の滑らかな再液化表面は垂直に配置され、
   前記フィン及び溝のうちの少なくとも1つは、前記の略円筒形状の再液化表面の周囲を螺旋状に延在する、
   請求項2に記載の極低温システム。
5. 液体ヘリウムを前記再液化表面から離れさせる前記構造は複数の溝を有し、
   前記複数の溝は、前記再液化表面の周りを、互いに反対向きのピッチからなる螺旋をなして延在する、
   請求項1に記載の極低温システム。
6. 前記中断構造は、該中断構造に隣接する再液化表面の一部分から離れるにつれて下方に向かうように傾斜した傾斜上面を有する少なくとも1つのフィンを有し、
   前記傾斜上面はドリップエッジで終端し、
   前記ドリップエッジから、液体ヘリウムの液滴が、前記再液化表面の全長まで進行することなく前記再液化表面を離れる、
   請求項1に記載の極低温システム。
7. 前記再液化表面は互いが上方で垂直に積層される複数の水平フィンをさらに有する、請求項6に記載の極低温システム。
8. 前記中断構造は、前記再液化表面に刻み込まれる溝を有し、
   前記溝の上端は、前記滑らかな再液化表面がシャープエッジを有するように備えられる、
   請求項1に記載の極低温システム。
9. 前記再液化表面で螺旋パターンをなすように備えられた複数の溝をさらに有する、請求項8に記載の極低温システム。
10. 金属を加工することで環状の滑らかな再液化表面を画定する工程を有する請求項1に記載の極低温システムの製造方法であって、
    前記再液化表面は、前記滑らかな再液化表面から突出する複数の環状若しくは螺旋状に延在するフィン、又は、前記滑らかな再液化表面に刻み込まれた複数の溝によって中断される、
    方法。
11. 液体He内に浸漬された超伝導マグネットを維持する方法であって：
    前記液体Heから蒸発するHe蒸気を滑らかな再液化表面上で再液化することで、前記再液化表面上に液体He膜を生成する手順；及び
    前記滑らかな再液化表面に沿って前記液体He膜を間断的に***させる手順；
    を有し、
    前記再液化表面が、上側の垂直端部から下側の垂直端部に向かって先細り形状をとる、
    方法。
12. 前記の液体He膜を間断的に***させる手順は、前記液体ヘリウムを、前記再液化表面の全垂直長まで進行することなく、前記滑らかな再液化表面から離れさせる手順を有する、請求項11に記載の方法。
13. 前記の液体He膜を間断的に***させる手順は、前記滑らかな再液化表面から突出する環状若しくは螺旋状に延在するフィン、又は、前記滑らかな再液化表面に刻み込まれた溝を用いる手順を有する、請求項11に記載の方法。
14. 前記フィン又は溝はドリップエッジを有し、
    前記ドリップエッジから、液体ヘリウムは、重力によって、滴下して、前記超伝導マグネットコイルを浸漬させる液体ヘリウムへ戻る、
    請求項12に記載の方法。
15. 垂直軸に沿ってマウントされる滑らかな表面を有することで、前記表面上の液体は重力によって前記表面の下端へ向かって流れる被冷却対象物；
    前記滑らかな表面の周囲で延在する複数のフィン；
    を有する再液化器であって、
    各フィンの上端には、直上の滑らかな表面部が接し、
    各フィンの下端は前記上端よりも長い周囲を有し、
    滑らかな傾斜面が、各フィンの前記上端と下端との間で画定され、
    前記表面部が、上側の垂直端部から下側の垂直端部に向かって先細り形状をとる、
    再液化器。

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