JPS61153553A

JPS61153553A - Ｎｍｒ磁石低温槽用のプラグ管

Info

Publication number: JPS61153553A
Application number: JP60266297A
Authority: JP
Inventors: ラツセル・スコツト・ミラー; トーマス・アーレスト・プライス
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-11-29
Filing date: 1985-11-28
Publication date: 1986-07-12
Also published as: IL76811A0; EP0184070A3; EP0184070A2; CA1271987A; US4562703A

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　　景本発明は一般に低温槽、特に冷却材として液体ヘリウム
を用いる低温槽（クライオスタット）の内壁と外壁との
間に伸びる水平形貫通体に関するものである。更に詳し
くは、本発明は核磁気共鳴（ＮＭＲ）磁石低温槽に対す
る冷却インターフェイスを提供するために熱伝達接触部
を用いたプラグ管に関するものである。

ＮＭＲ像作成法で医療診断像を作る際、時間的に安定で
空間的に一様な磁界を作ることが必要である。極低温に
維持された超電導体を使うことはこのような磁界を発生
する有利な手段となる。したがって、このようなＮＭＲ
像作成装置用に低温槽が用いられる。低温槽の最も内側
の室内には超電導磁石材料を冷却するために例えば液体
ヘリウムが用いられる。低温槽自体は通常、トロイダル
形の構造を有し、外側容器内に他のトロイダル形の構造
と入れ予成に配置されて所望の真空状態と熱遮蔽を実現
している。ＮＭＲ像作成法で用いられる主磁石コイル、
種々の補正コイルおよび種々の勾配コイルに電気エネル
ギを与えなければならないので、低温槽の容器壁を貫通
する少なくとも１つの貫通体を設ける必要がある。

従来技術の典型的な貫通体は垂直形であった。

本発明の装置は特に垂直形でない貫通体を対象としてい
るが、垂直形貫通体にも適用可能である。

しかし垂直形貫通体の場合には、製造上の観点から位置
合わせと組立ての点好ましくない問題が生じてきた。他
方、低温槽の水平形貫通体は熱効率の理由で採用されて
いなかった。特に液体ヘリウムのような冷却材では、冷
却材の気体または蒸気密度が温度によって大きく左右さ
れることが知られている。したがって、垂直形貫通体で
は、貫通体内のヘリウム蒸気は貫通体の下から上へ密度
が変るため自然にｆｉ度の順に積層した形になる。この
ように積層した形をなすことによって垂直形貫通体の長
さ方向（軸方向）に沿って自然に熱絶縁が得られる。特
に、このような貫通体の軸方向に沿った任意の位置にお
いて温度のプロフィルはほぼ一定になる。しかし、この
こと低温槽の通常の水平形貫通体にはあてはまらない。

というのは、存在する蒸気の積層方向は水平形貫通体の
長軸方向、すなわち温度勾配の方向ではないからである
。

したがって、水平形貫通体に沿った１ｍ勾配によって、
貫通体内の蒸気に自由な対流が生じる傾向がある。その
結果、冷却材の喪失が希望よりずっと早くなる。ヘリウ
ムの価格はかなり高いので、冷却材のこの喪失は望まし
くない。

ところで従来の設計では、水平形貫通体用のプラグとし
て、らせん形の溝を持つ特殊なプラグ管が設けられてい
る。これらのらせん形の溝は取りはずし可能な薄肉のプ
ラグ管に設けられ、このプラグ管は低温槽の貫通体内に
挿入される。らせん形の溝の中にはガスケットが配置さ
れ、このため貫通体の軸方向に沿ってらせん形のヘリウ
ム蒸気の流路が作られる。プラグ管と低温槽貫通体の壁
との間に形成された環状空間にヘリウム蒸気が流れる。

この環状空間は厳密に制御しなければならない。という
のは、環状空間内のヘリウム蒸気の速度が低温槽からの
熱損失速度をきめる一要素であるからである。この環状
空間の幅は通常、約１／　１００インチ（０，２５４ｉ
ｓ）である。気化したヘリウムのためのらせん形の流路
は、それがなければ環状空間に生じる惧れのある自然対
流を防止する。

しかし、貫通体はその軸方向に沿って低温槽の容器壁か
ら所定量の熱エネルギを外部環境に伝達できることが望
ましい。これは種々の低温槽の遮蔽体を冷却するために
望ましいと共に、外部にヘリウム液化装置が設けられて
いる場合には低温槽の内側容器から沸騰したヘリウム蒸
気を再循環させるためにも望ましい。たとえば、約１０
°にと約５０　’にとの間の温度に維持される中間の遮
蔽体の位置では約１ワツト乃至２ワツトの熱エネルギを
伝達することが望ましい。更に、約５０”Ｋと約１００
°にとの間の温度に維持される一層外側の遮蔽体では約
５ワツト乃至約１０ワツトの熱エネルギを伝達できるこ
とが望ましい。環状の隙間の熱抵抗が大き過ぎて効果的
な熱伝達を行なえない。更にこの隙間の寸法とプラグ管
が比較的薄肉であるという性質とにより、隙間の寸法、
管の強度およびその他の熱的条件に悪影響を与えること
なく遮蔽体の位置での局部的な熱伝達条件を改善するた
めに用いることのできる装置の寸法、強度および構造に
厳しく制約が課される。更にプラグ管にらせん形のガス
ケット材があるため、熱伝達用人用装置はプラグの挿入
を妨害する恐れのあるような目通体の壁の所に設けるこ
とができない。

またプラグを挿入したり取り外したりする作業の際、空
気が入ると液体または固体の凝縮物が形成される傾向が
あるので、空気が貫通体内に入らないようにしなければ
ならない。このため、貫通体内に摺動させて出し入れさ
れる引込み可能な円板または円柱体を付加して、プラグ
を引き外した後に空気が入るのを防止している。このよ
うな引込み可能な円板または円柱体を設ける場合、一般
にすべての実用的な構造設計では断面が一定の貫通体（
ＩＩ通管）が必要となる。

したがって、前述の問題を要約すると次のようになる。

通常ヘリウムのような冷却材の蒸気で充たされる高い熱
抵抗の隙間を横切って局部的に熱伝達させるための手段
を設けることが必要である。

この熱伝達は特定の遮蔽体の位置の所に局限しなければ
ならず、熱伝達手段は隙間を部分的に形成するプラグ管
の挿入または取外しを妨害せず、また隙間内での冷却材
蒸気のらせん状の流れを妨害しないようにしなければな
らない。更に、所望の熱伝達手段はらせん形のガスケッ
ト材料と干渉しないようにしなければならない。最も厳
しい条件としては、所望の熱伝達手段は直径（例えば約
３゜５インチ（８，８９Ｃ１１）　）に対して充分に長
い（約１４インチ（３５，５６Ｃ１１））極めて薄肉、
（１５ミル乃至２５ミル（０，３８１乃至０．６３５＋
＋＋ａ＋））の構造体の中に設けなければならない。

製造上の公差の点から、環状の隙間の寸法を更に小さく
することは局部的にしても容易に行なえない。更に、熱
伝達面積を大きくする目的で軸方向寸法を著しく長くす
ると、低温槽の構造全体の全体的な寸法に著しく影響し
、一般に経済的に好ましくないものと考えられる。本発
明では比較的安価な解決策を提供する。

発　　明　　の　　　　　約本発明の一面によれば、低温槽用のプラグ管が少なくと
も２つの薄肉の筒形の導管部分で構成され、これらの導
管部分はその内側に配置された少なくとも１つのリング
によって一緒に結合されて、少なくとも１つの周方向の
溝を形成する。この溝には複数のほぼＵ字形のばねが配
置され、各ばねの長い片側部分がリングと熱接触する。

この構造により、熱接触用ばねを配置するための適当な
深さの溝が得られる。この深さは薄肉の通気管すなわち
導管自体の中に作ることはできない。その理由は管の厚
さが薄いからである。更に、熱接触用ばねは所定の幅を
持たせて、他の場合に必要となるような半径の小さな弯
曲部で破損したりひび割れしたりすることがないように
しなければならない。熱接触用ばねは、導管部分と結合
用リングとによって形成された溝の中に直接配置される
。複数の指状ばねを持つ単一条片の形で設けることが好
ましい。一般に、周方向の溝は複数のばね条片を配置で
きるように充分広くすることができる。

更に、一般に、周方向の溝とばね条片はプラグ管本体と
その対応するｔｉ槽の部分との間の熱接触が必要なとこ
ろに設けられる。

したがって、本発明の１つの目的はプラグ管に沿った選
ばれた軸方向の点に熱接触手段を含む低温槽用のプラグ
管を提供することである。

本発明の１つの目的はプラグ管を囲む環状隙間内での冷
却材蒸気の流れを妨害することなく低温槽内８１！構造
からプラグ管へ熱伝達を行なうことができる低温槽用の
プラグ管を提供することである。

更に、本発明の丁つの目的は低温槽の水平形貫通体に対
して特に有用なプラグ管を提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は薄肉の構造体に対する熱
接触手段を提供することである。

本発明の更にもう１つの目的はプラグ管のまわりの環状
隙間を小さくすることなく、且つ貫通体の軸方向の寸法
を大きくすることなく、水平形プラグ管に対する熱接触
手段を提供することである。

更に、これに限定されるものでないが、本発明の１つの
目的はＮＭＲ磁石用低温槽で使うための冷却器また番よ
液化器のインターフェイスとして水平形プラグ管を使え
るようにすることである。

発明と考えられる事項は特許請求の範囲に明確に記載し
であるが、本発明の構成、実施方法、上記以外の目的お
よび利点は図面を参照した以下の説明により明らかとな
ろう。

発明の詳細な説明第１図は本発明の一実施例のプラグ管１０を示す。プラ
グ管１０は、らせん形の溝１５、および周方向の溝の中
に配置された１対の熱接触用ばね群２０および３０を持
つことが示されている。プラグ管１０はプレナム（Ｄｌ
ｅｎｕｍ）ギャップ１３の内側に配置されている。プレ
ナム・キャップ１３は、低温槽の対応する部分を封じす
るためのＯリング１２が配置された溝を含む。更にプラ
グ管１Ｏとキャップ１３の一部分との間には蒸気ギャッ
プ１１が存在する。第１図では見えないが、プラグ管１
０はプレナム・キーツブ１３の内部下面に固定されてい
る。冷却材蒸気はプラグ管１０の周面のまわりのらせん
形の流路を流れる。この流路はプラグ管１０と低温槽貫
通体または貫通管４０の内壁との間に、溝１５に配置さ
れたく図示してない）ガスケット材料によって形成され
る（第３図参照）。冷却材蒸気はギャップ１１を通って
プレナム・キャップ１３の中に入り、次いで開口１４か
ら出る。本発明の一実施例では、この蒸気を再び液化し
て、低温槽に戻すことができる。この場合、本発明のプ
ラグ管は通気管として低温槽と外部の冷却装置または液
化装置との間の適当なインターフェイスとなる。第１図
にはらせん形の溝のピッチがプラグ管の軸方向に沿って
変化することが示されている。このピッチの変化はプラ
グ管に沿って軸方向の所望の温度勾配を維持するのを助
ける。

本発明の実施に関連して、第１図は熱接触用ばね群２０
および３０を示ず。これらのばね群はプラグｇ１０に設
けられた周方向の溝の中に配置さ・れている。しかし、
プラグ管１０が極めて薄肉（厚さが約２０ミル（約０．
５０８ｉｍ））であることとばねを収容するのに必要な
深さのため、熱接触用ばねが配置される溝は実際にプラ
グ管１０を貫通して伸びる。プラグ管１０は実際には複
数の同軸に配置された筒形の導管部分で構成される。

したがって各導管部分は少なくとも１つの内側のリング
によって一緒に保持されている。リングは導管部分を支
持すると共に１つ以上のばね条片を支持する。第２図は
この構造を詳しく示し、第３図には更に詳しく示す。第
２図には、特に、ばね詳３０がその内側にある結合用リ
ング３３と熱接触して配置されることが示されている。

この構造は第３図に更に詳しく示されている。

しかし、第３図は１対のばね条片を周方向の同じ溝の中
に配置した本発明の別の実施例も示している。しかし、
単一のはね条片を用いる方が、構造がより簡単になるの
で好ましい。第３図ならびに第１図および第２図の構造
の理解が容易になるよう、製造方法について説明する。

まずプラグ管１０にこの管材料の厚さのほぼ半分まで伸
びた１組のらせん形の溝１５を設ける。このような溝は
プラグ管１０の強度を著しく弱めることはない。しかし
、プラグ管１０の所望の深さの周方向の溝はプラグ管自
体を貫通しない場合でもプラグ管の厚さの全部近くまで
伸びる。したがって、プラグ管１０には同軸に配置され
た結合用リング３３が設けられる。結合用リング３３は
周方向の溝に対して望ましい位置でプラグ管１０の内側
に固定される。結合用リング３３はろう付け、溶接、接
着剤等の都合の良い手段でプラグ管１０に固定される。

結合用リング３３を所定の場所に配置して、プラグ管１
０を１械加工して適当な深さの周方向の溝を設ける。こ
の溝は少なくとも結合用リング３３の中の一部分まで伸
びることが好ましい。次に各々の周方向の溝の中にばね
群またはばね条片２０および３０が配置され、ばね条片
の両端部かばね条片をその所定の場所に保持するように
固定される。この結合は通常、溝の中のばね条片の共通
部分をはんだ付けすることによって行なわれる。はんだ
付けは、ろう付けの場合のような高温によって生じる倶
れのあるばね条片材料の焼きなましを避けるために好ま
しい。

第１図および第２図のプラグ管を製造する方法を説明し
たことから第３図の構造は明らかであろう。第３図には
プラグ管１０の下側部分（導管部分）をプラグ管１０の
上側部分（導管部分）に連結する結合用リング３３が示
されている。前述の製造方法に加えて、リングをろう付
けした状態が図示されている。図示のプラグ管１０は低
温槽内にその動作位置、具体的にいうと低温槽の貫通管
４０の中に配置された状態で示されている。第３図には
らせん形の溝１５の一部も示され、ばね条片３０ａおよ
び３０ｂも示されている。各ばね条片は結合用リング３
３と熱接触している共通部分３２を有する。更に、（）
字形のばね部材３１が貫通管４０の壁と熱接触するよう
に配向され、貫通管４０は低温槽の内部遮蔽体５０と熱
接触している。たとえば、遮蔽体５０は約５０°にと１
００’にとの間の温度に配置することができる。したが
っ゛て、隙間の寸法と隙間を流れる蒸気のために大きな
熱抵抗を示す隙間を横切って所望の熱接触が得られる。

更に、本発明の熱接触用ばねは、形成されたらせん形の
流路に沿ったヘリウム蒸気の流れを何ら妨害しないこと
が理解されよう。ばねには曲げ部３４を設けて低温槽へ
の挿入および取外しを容易に行なえるようにすることが
好ましい。

第４図は本発明で用いることのできるばね群又はばね条
片の一部の詳細図である。特に一体の条片構造にしたＵ
字形ばね群が示されており、Ｕ字形ばねの片側部分は一
体構造の共通部分３２として形成されている。個々のば
ね部材または要Ｎ３１の幅Ｗは約２５ミル（０，６３５
ａ＋ｍ）と５０ミル（１，２７１１）の間にであり、僅
かな曲げ８！１３４により貞通体アセンブリの挿入およ
び取外しが容易に行なえるようにしである。

本発明で使用し得るばね条片の一実施例のその他の寸法
については第５図に示されている。ばね条片の厚さＨは
典型的には約６ミル（０，１５２１）と１２ミル（０，
３０４ｎ＋Ｉｍ）との間にある。

ばね条片は結合用リングに沿って距離りだけ伸びている
。距１１１Ｌは典型的には約１／８インチ（３゜１７５
ｍｍ）から１／４インチ（６，３５１１１１１１＞の間
にある。Ｕ字形ばねの反対側の長さＤは通常距離［とほ
ぼ同じ長さにする。ＲはＵ字形の弯曲部の半径を表わし
、θは弯曲部に対する角度を表わす。

一般に半径Ｒは約１５ミル（０，３８１ｍｍ）と２５ミ
ル（０，６３５ｎｖ）との間にあり、角度θは約１６５
°と１７０°との間にある。

本発明の好ましい実施例ではプラグ管１０はステンレス
鋼のような材料で構成する。しかし、一般的には余り好
ましくないと考えられるがグラス・ファイバやエポキシ
合成材料を用いることもできる。結合用リングは通常、
銅のような熱伝導性金属で構成される。ばね自体はベリ
リウム銅、リン青銅のような材料で構成することが好ま
しい。

一般に、結合用リング３３はろう付けによって導管部分
に固定される。挿入時にばねはたわんでブラグ管１０と
貫通管４０の壁との間に所望の正常な接触力を与える。

本発明では低温槽貫通体の壁の弯曲に合わせるため多設
形ばねすなわち英数の指状ばね要素を持つばねが好まし
いので、接触面積全体の一部だけが利用される。しかし
、ばね要素の相互間に隙間があるので、らせん状のガス
の流れを連続的に維持するために必要な流路が得られる
。

当業者には明らかなように、上記の図示例では貫通体の
横断面が円形になっていると仮定したが、他の横断面も
可能である。しかし、製造を容易にするためには円筒形
の構造が好ましい。本明細書で用いる「管」という用語
は円形の横断面を持つ部材に限定されず、横断面か卵形
、楕円形、正方形等の（一般的な意味で）筒形の構造を
も含むことを理解されたい。したがって厳密な円形以外
の貫通体積断面も本発明の原理を逸脱せずに設けること
ができる。

ばねはほぼＵ字形であるとして説明したが、本願発明で
はたとえばＣ字形のばね等の類似形状のばねを含むこと
に留意されたい。

上記のことから本発明のプラグ管は提起された問題に対
する望ましい解決策を与えたことが明らかであろう。特
に、らせん形の流路を遣えざることなく良好な熱接触が
維持される。主として結合用リングを設けることにより
、プラグ管自体の厚さを小さくしなければならないとい
う必要条件を満足する手段が与えられる。更に、プラグ
管のプラグは低温槽の形状に応じて、特に低温槽の内部
遮蔽体構造の位置に応じて種々の選ばれた位置で所望の
周方向の隙間を持たせるように製造することができる。

したがって、本発明のプラグ管は希望により低温槽の内
部環境と外部冷却液化装置とのインターフェイス（連絡
）を容易に行い得ることが明らかであろう。更に、本発
明の装置は環状の隙間の寸法が小ざいことによる制約、
材料の制約、ならびに低温槽の設計の熱力学的な制約を
すべて満足する。

本発明のいくつかの実施例について詳細に説明してきた
が、当業者はこれらに対し多くの変形や変更を加えるこ
とができよう。したがって、本発明の趣旨と範囲の中に
入るこのような変形や変更は特許請求の範囲に包含され
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるプラグ管アセンブリを示す斜視図
である。第２図は本発明で使用される熱接触用ばねを更
に詳しく示すための第１図の一部の拡大図である。第３
図は低温槽貫通体の中で使用位置に配置した本発明のプ
ラグ管の一部を示す断面図である。第４図は本発明で用
いることのできる熱接触用ばね条片の一部を示す斜視図
である。第５図は熱の流れと機械応力の解析に有用な種々の寸法
を例示した第４図のばね条片の側面図である。（主な符号の説明）１０・・・プラグ管、１５・・・らせん形の溝、２０．３０・・・周方向の溝に配置したばね群（ばね条
片）３１・・・Ｕ字形のばね部材、３２・・・ばねの一体構造の共通部分、３３・・・結合
用リング、３４・・・ばねの曲げ部、４０・・・貫通体（貫通管）。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）特に低温槽の水平形貫通体と一緒に使うための低
温槽用のプラグ管において、同軸に配置された少なくと
も２つの薄肉の筒形の導管部分と、上記導管部分の内側
に配置され、隣り合う導管部分の間に封じ可能に固定さ
れた少なくとも１つの結合用リングであって、上記導管
部分と共に、当該結合用リングを床とした少なくとも１
つの周方向の溝を有する１つの筒形構造体を形成する結
合用リングと、少なくとも１つの上記周方向の溝の中に
配置された複数の相隔たるほぼＵ字形のばねであって、
当該ばねの殆んどの長い片側部分が上記リングと熱接触
するように配置された複数の相隔たるほぼＵ字形のばね
とを有することを特徴とする低温槽用のプラグ管。
（２）特許請求の範囲第（１）項記載の低温槽用のプラ
グ管において、上記薄肉の筒形の導管部分がその外表面
にらせん形の溝を有している低温槽用のプラグ管。
（３）特許請求の範囲第（２）項記載の低温槽用のプラ
グ管において、上記らせん形の溝のピッチが変化してい
る低温槽用のプラグ管。
（４）特許請求の範囲第（１）項記載の低温槽用のプラ
グ管において、上記ばねが上記周方向の溝の中に対にな
って配置されている低温槽用のプラグ管。
（５）特許請求の範囲第（１）項記載の低温槽用のプラ
グ管において、上記ばねの上記結合用リングと接触して
いない他方の片側部分が曲げ部を有し、これにより上記
プラグ管が挿入される対応する筒形部材から容易に引き
出せるようにした低温槽用のプラグ管。
（６）特許請求の範囲第（１）項記載の低温槽用のプラ
グ管において、上記導管部分がステンレス鋼またはグラ
ス・ファイバ合成材の内の選ばれた材料から構成されて
いる低温槽用のプラグ管。
（７）特許請求の範囲第（１）項記載の低温槽用のプラ
グ管において、上記ばねがベリリウム銅またはリン青銅
の内の選ばれた材料から構成されている低温槽用のプラ
グ管。
（８）特許請求の範囲第（１）項記載の低温槽用のプラ
グ管において、上記結合用リングの各々がそれに隣接し
た導管部分にろう付けによって固定されている低温槽用
のプラグ管。
（９）特許請求の範囲第（１）項記載の低温槽用のプラ
グ管において、上記ばねがばね条片として上記周方向の
溝の中に配置される一体構造を形成している低温槽用の
プラグ管。
（１０）特許請求の範囲第（１）項記載の低温槽用のプ
ラグ管において、上記リングが銅で構成されている低温
槽用のプラグ管。
（１１）特許請求の範囲第（１）項記載の低温槽用のプ
ラグ管において、上記周方向の溝が上記結合用リングの
一部分の中まで形成されている低温槽用のプラグ管。
（１２）特許請求の範囲第（１）項記載の低温槽用のプ
ラグ管において、上記薄肉の筒形の導体部分が３個が設
けられ、上記結合用リングが２個設けられている低温槽
用のプラグ管。