超伝導マグネットのための冷媒システム及び方法
【課題】完全な閉鎖系で包含する冷媒体積が非常に小さい冷媒システムを提供すること。
【解決手段】超伝導マグネット向けの冷媒システムは閉ループ冷却経路を備える。閉ループ冷却経路は超伝導マグネットに熱的に結合させたマグネット冷却チューブを備える。マグネット冷却チューブは冷媒流通路を備える。閉ループ冷却チューブはさらに、チューブ区画を通じてマグネット冷却チューブに流体結合させた再凝縮器と、マグネット冷却チューブと再凝縮器の間に流体結合させた液体冷媒コンテナと、を備える。接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに少なくとも１つの気体タンクを流体結合させている。
【解決手段】超伝導マグネット向けの冷媒システムは閉ループ冷却経路を備える。閉ループ冷却経路は超伝導マグネットに熱的に結合させたマグネット冷却チューブを備える。マグネット冷却チューブは冷媒流通路を備える。閉ループ冷却チューブはさらに、チューブ区画を通じてマグネット冷却チューブに流体結合させた再凝縮器と、マグネット冷却チューブと再凝縮器の間に流体結合させた液体冷媒コンテナと、を備える。接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに少なくとも１つの気体タンクを流体結合させている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は超伝導マグネットのための冷媒システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導マグネットは、マグネットが以下において「超伝導温度」と呼ぶような適当な低い温度に維持されている限りにおいて抵抗なしに電気を導通させる。したがって、超伝導マグネットを確実に超伝導温度未満で動作させるために冷媒システムが用いられる。
【０００３】
従来の冷媒システムの１つは、超伝導マグネットに装着させた冷却コールドヘッドを使用している。超伝導マグネットに対してこうして冷却コールドヘッドを装着することには、コールドヘッドモータに対する浮遊磁場の有害な影響、コールドヘッドから超伝導マグネットへの振動伝達、コールドヘッドと超伝導マグネットの間の熱接続に沿った温度勾配を含む幾つかの欠点が存在する。
【０００４】
従来式の別の冷媒システムは、超伝導マグネットを冷却するために冷媒浴内で大体積の液体冷媒を使用している。超伝導マグネットの熱は液体冷媒を気体冷媒にボイルオフさせることによって除去される。幾つかのマグネットでは、ボイルオフさせた冷媒気体は大気中に排出されており、冷媒を補充するために定期的な冷媒保守が必要である。ある種のマグネットでは冷凍機またはクライオクーラを用いてボイルオフ冷媒気体を再凝縮させて液体に戻している。しかし、電力の停止やシステムメンテナンス中などで冷凍が停止となった場合や、マグネットがクエンチ状態になりマグネットが蓄えた電磁気エネルギーがダンプされて熱に変わった場合には、多くの量のボイルオフ冷媒気体が大気中に排出されて失われる。冷凍がオン状態に戻った後にも冷媒保守及び冷媒補充が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
完全な閉鎖系で包含する冷媒体積が非常に小さい（また冷媒をなくしてさらに冷媒システムから排出される気体冷媒を最小限にした目下利用可能なシステムと異ならせた）別の冷媒システムがあることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、超伝導マグネット向けの冷媒システムを提供する。本冷媒システムは閉ループ冷却経路を備える。この閉ループ冷却経路は、超伝導マグネットに熱的に結合されたマグネット冷却チューブを備える。このマグネット冷却チューブは冷媒流通路を備える。閉ループ冷却チューブはさらに、チューブ区画を通じてマグネット冷却チューブに流体結合させた再凝縮器と、マグネット冷却チューブと再凝縮器の間に流体結合させた液体冷媒コンテナと、を備える。マグネット冷却チューブに対しては接続チューブを通じて少なくとも１つの気体タンクを流体結合させている。
【０００７】
別の実施形態では、磁気共鳴撮像システムを提供する。本磁気共鳴撮像システムは、中央のボアを画定する超伝導マグネットと、超伝導マグネットを囲繞する熱シールドと、該熱シールド内部にある閉ループ冷却経路と、を備える。この閉ループ冷却チューブは超伝導マグネットに熱的に結合させたマグネット冷却チューブを備える。このマグネット冷却チューブは冷媒流通路を備える。マグネット冷却チューブに対してはチューブ区画を通じて再凝縮器を流体結合させており、これを冷凍機に関連付けさせている。マグネット冷却チューブと再凝縮器の間には液体冷媒コンテナを流体結合させている。熱シールドに対して少なくとも１つの気体タンクを熱的接触させると共に、これを接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに流体結合させている。
【０００８】
さらに別の実施形態では、超伝導マグネット向けの冷媒冷却方法を提供する。本方法は、マグネット冷却チューブを超伝導マグネットに熱的接触させるステップと、マグネット冷却チューブの少なくとも一部分を通じて液体冷媒を流すステップと、液体冷媒をボイルオフ気体冷媒に変換する気化によって超伝導マグネットの熱を除去するステップと、ボイルオフ気体冷媒の一部を液体冷媒に戻すように変換し該液体冷媒をマグネット冷却チューブに戻して満たすためにボイルオフ気体冷媒を再凝縮器と接触させるステップと、接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに流体結合された少なくとも１つの気体タンク内にボイルオフ気体冷媒の一部を蓄積するステップと、を含む。
【０００９】
本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による超伝導マグネット向けの冷媒システムの図である。
【図２】本発明の一実施形態による冷媒システムを用いた磁気共鳴撮像システムの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態は超伝導マグネット向けの冷媒システムに関する。本冷媒システムは少なくとも１つの閉ループ冷却経路を備えており、またこの閉ループ冷却経路は、超伝導マグネットに熱的に結合させた少なくとも１つの冷却チューブと、チューブ区画を通じてマグネット冷却チューブに流体結合させると共に冷凍機と関連付けさせた再凝縮器と、マグネット冷却チューブと再凝縮器の間に流体結合させた少なくとも１つの液体冷媒コンテナと、接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに流体結合させた少なくとも１つの気体タンクと、を備える。閉ループ冷却経路内には、マグネット冷却チューブの少なくとも一部分を通って流れる液体冷媒と、液体冷媒から気化した気体冷媒と、からなる冷媒が流れている。
【００１２】
図１を参照すると、超伝導マグネット１１１を冷却するための例示的な冷媒システム１１０を図示しているが、例証を目的として非常に誇張しており縮尺通りに表していない。図示した冷媒システム１１０は閉ループ冷却経路を備える。閉ループ冷却経路内には液体冷媒と気体冷媒の両者から成る冷媒が流れている。図示した実施形態では閉ループ冷却経路は、超伝導マグネット１１１と熱的に結合されたマグネット冷却チューブ１１２と、通常の冷却動作の間に液体冷媒を蓄積しておきマグネット冷却チューブ１１２の少なくとも一部分を通じて流れるように液体冷媒を送っている少なくとも１つの液体冷媒コンテナ１１４と、マグネット冷却チューブ１１２からのボイルオフ気体を液体冷媒コンテナ１１４に戻して満たすための液体に戻すように再凝縮させている再凝縮器１１６と、通常の冷却動作が崩壊したときの冷媒システムのライドスルー動作時に気体冷媒を蓄積するための少なくとも１つの気体タンク１１８と、を備える。
【００１３】
図示した実施形態では、マグネット冷却チューブ１１２は実質的に円形であると共に冷媒流通路１１３と該冷媒経路１１３内の第１及び第２の開口部１２０、１２１とを含む。通常の冷却動作の間に冷媒システム１１０は、マグネット冷却チューブ１１２内の液体冷媒を気体冷媒に変換することによる気化潜熱よって超伝導マグネット１１１の熱を除去する。したがって超伝導マグネット１１１はその超伝導温度に維持されると共に、その超伝導状態で動作される。ある種の実施形態ではその閉ループ冷却経路内を流れる冷媒は、窒素、ネオン、水素、ヘリウム、あるいはこうした気体、蒸気または液体の組み合わせ、あるいは超伝導マグネット１１１から十分な熱を引き出す能力をもつ適当な別の任意の冷媒とすることができる。
【００１４】
図示した実施形態ではその再凝縮器１１６を冷凍機１２６に関連付けさせており、この冷凍機１２６は、例えば約２ケルビン（Ｋ）〜約４Ｋなど十分に低い温度まで再凝縮器１１６を冷却して気体冷媒を液体相に戻すように変換している。再凝縮器１１６は、気体冷媒をその液体相に戻すように変換するように気体冷媒と接触した熱伝達表面積（図示せず）を有する。ある種の実施形態ではその再凝縮器１１６は良好な熱伝導率を有する銅またはアルミニウムを含む。
【００１５】
図示した実施形態ではその再凝縮器１１６は、再凝縮器１１６とマグネット冷却チューブ１１２の間の第１のチューブ区画１２２及び流体冷媒コンテナ１１４とマグネット冷却チューブ１１２の間の第２のチューブ区画１２４を通じてマグネット冷却チューブ１１２の第１の開口部１２０に流体結合させている。したがって、マグネット冷却チューブ１１２の第１の開口部１２０からの気体冷媒は第２のチューブ区画１２４と通じて液体冷媒コンテナ１１４まで流れ、またさらに第１のチューブ区画１２２を通じて再凝縮器１１６と接触するように流れて再凝縮器１１６により液体冷媒に変換される。代替的な一実施形態ではその再凝縮器１１６は、液体冷媒コンテナ１１４をバイパスするような１つのチューブ区画を通じて直接マグネット冷却チューブ１１２に結合されることがある。
【００１６】
図示した実施形態ではその再凝縮器１１６は、液体冷媒を液体冷媒コンテナ１１４内に送り込むために第３のチューブ区画１２８を通じて液体冷媒コンテナ１１４に流体結合させている。図示した実施形態ではその再凝縮器１１６は液体冷媒コンテナ１１４の上方に配置させている。したがって、液体冷媒は重力によって液体冷媒コンテナ１１４内に流れ込む。ある種の実施形態ではさらに、気体冷媒が再凝縮器１１６まで第３のチューブ区画１２８を通って流れることや、またさらに液体冷媒が第２のチューブ区画１２４を通って流れることがある。したがって、マグネット冷却チューブ１１２を通って流れる冷媒は、液体冷媒と気体冷媒の混合体となることがある。
【００１７】
図示した実施形態では液体冷媒コンテナ１１４は、マグネット冷却チューブ１１２の上方に位置決めされると共に、第４のチューブ区画１２９を通じてマグネット冷却チューブ１１２の第２の開口部１２１に結合されている。したがって液体冷媒は重力によって、第２の開口部１２１を通って液体冷媒コンテナ１１４からマグネット冷却チューブ１１２まで流れる。ある種の実施形態ではその液体冷媒コンテナ１１４は、ステンレス鋼、アルミニウムまたは複合材料を含む。ある種の実施形態では冷媒システム１１０は、再凝縮器１１６から液体冷媒を受け取りこの液体冷媒をマグネット冷却チューブ１１２を通して流している複数の液体冷媒コンテナ１１４を備える。
【００１８】
ある種の実施形態ではそのマグネット冷却チューブ１１２は、円周方向に沿った超伝導マグネット１１１の外側表面上に配列させている。別の実施形態ではそのマグネット冷却チューブ１１２は、超伝導マグネット１１１の実質的に長さ方向に沿って超伝導マグネット１１１の外側表面上に配列させることがある。ある種の実施形態では、超伝導マグネット１１１の外側表面上に複数の冷却チューブ１１２を配列させることがある。一実施形態ではそのマグネット冷却チューブ１１２は、マグネットコイルを直接冷却するために超伝導マグネット１１１のマグネットコイルと接触している電気絶縁層を有する。別の実施形態ではそのマグネット冷却チューブ１１２は、超伝導マグネット１１１の支持部分または冷却用素子と接触している。したがって、マグネットコイルからの熱は支持部分または冷却用素子と通ってマグネット冷却チューブ１１２まで送られると共に、この熱はさらに、冷却マグネットチューブ１１２内で液体冷媒を気体冷媒に変換する気化潜熱によって除去される。ある種の実施形態ではそのマグネット冷却チューブ１１２は、ステンレス鋼、アルミニウム、銅または真鍮材料を含む。
【００１９】
図示した実施形態では、マグネット冷却チューブ１１２の冷媒流通路１１３に対して接続チューブ１３０を通じて少なくとも１つの気体タンク１１８を流体結合させている。ある種の実施形態ではその気体タンク１１８は、ステンレス鋼、アルミニウム、真鍮、銅または複合材料を含む。図示した実施形態ではシステム１１０は複数の気体タンク１１８を備えていると共に、この複数の気体タンク１１８は接続チューブ１３３を通じて接続されている。気体タンク１１８はボイルオフ気体冷媒を受け取るために接続チューブ１３０を通じてマグネット冷却チューブ１１２に結合されている。図示した実施形態ではその接続チューブ１３０は、その最上部が実質的に水平方向でありかつより下側の部分が実質的に上から下の方向に向いたＬ字形を成している。図示した実施形態では、接続チューブ１３０の最上部は再凝縮器１１６とマグネット冷却チューブ１１２の間で第１のチューブ区画１１２に結合されている。代替的な一実施形態ではその気体タンク１１８は、液体冷媒コンテナ１１４をバイパスするように第２のチューブ区画１２４からルート設定された１つの接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに直接接続されることがある。別の実施形態ではシステム１１０は、その各々がマグネット冷却チューブ１１２を対応する気体タンク１１８に接続している複数の接続チューブを備える。図示した実施形態ではその気体タンク１１８は、マグネット冷却チューブ１１２より下側の位置に配列されている。別の実施形態ではその気体タンク１１８はマグネット冷却チューブ１１２より上方に位置決めされることがある。
【００２０】
ある種の実施形態ではその冷媒システム１１０はさらに、マグネット１１１を周囲温度から熱的に切り離している熱シールド１３２を備える。熱シールド１３２は、銅やアルミニウムなど熱伝導性材料から製作されることがある。図示した実施形態ではその気体タンク１１８は、熱シールド１３２の内側表面に沿って分布させると共に、熱シールド１３２と熱的に結合させている。ある種の実施形態ではその熱シールド１３２は、約４０Ｋ〜約８０Ｋの温度における超伝導マグネット１１１に対する低温放射シールドを含む。したがって、気体タンク１１８内の気体冷媒はライドスルー動作中により大きな温度上昇を受けることができる。別の実施形態ではその気体タンク１１８は、熱シールドの外側表面上に配置させることがある。
【００２１】
ある種の実施形態ではその冷媒システム１１０は、液体冷媒が気体タンク１１８内に流れ込むのを防止するために接続チューブ１３０内に阻止機構を備える。図示した実施形態ではその阻止機構は、通常の冷却動作中に気体タンク１１８に液体が流れ込むのを防止するために接続チューブ１３０の最上部にあるｎ字形コネクタ１３８である。
【００２２】
図示した実施形態ではその冷媒システム１１０はさらに、通常の冷却動作の開始前に超伝導マグネット１１１を室温などのより高い温度から超伝導マグネット１１１の超伝導温度まで冷却するために、スタートアップ動作中に閉ループ冷却経路内に気体冷媒または液体冷媒を導入するためのインレット１３４を備える。ある種の実施形態ではそのインレット１３４はさらに、閉ループ冷却経路内に冷媒を補充すなわち補給するためにも使用される。
【００２３】
ある種の実施形態では、スタートアップ動作中に気体冷媒がインレット１３４から閉ループ冷却経路内に連続して押入れられると共に再凝縮器１１６によってこれが液体冷媒に変換され、さらにこれがマグネット冷却チューブ１１２を通って流れて超伝導マグネット１１１から熱を除去する。ある種の実施形態では、スタート時に気体冷媒のすべてを高圧で閉ループ冷却経路内に充填しており、またこの高圧気体冷媒をインレット１３４から閉ループ冷却経路内に進めるために外部ポンプ（図示せず）を用いることが可能である。超伝導マグネット１１１の温度が４Ｋなどの超伝導温度に達したとき圧力は動作圧力まで到達し、冷媒システム１１０はその通常の冷却動作を開始させる。
【００２４】
ある種の実施形態では、冷凍機１２６が再凝縮器１１６に対する冷却を停止しているときや超伝導マグネット１１１が予期しないクエンチを受けているときなど冷媒システム１１０のライドスルー動作中では、再凝縮器１１６は十分なボイルオフ気体冷媒を液体冷媒に変換するだけの有効な冷却動作を提供することが不可能であり、また通常の冷却動作の継続は不可能である。閉ループ冷却経路の温度は上昇し、またボイルオフ気体冷媒は気体タンク１１８内に蓄積される。
【００２５】
ある種の実施形態では、気体タンク１１８の総体積（Ｖｔ）は、ライドスルー動作中に液体冷媒コンテナ内のすべての液体冷媒が気相に変換されたときも気体圧力を冷媒超臨界圧未満に維持するのに十分な体積となるように設計される。この超臨界圧を超えると、冷媒は熱を吸収しても液体から気体への相変化を生じない。冷媒潜熱はゼロになると共に、もはや超伝導コイルを安定した極低温に維持することはできない。したがって超臨界圧は選択した冷媒のタイプに依存する。ライドスルー動作中に圧力が超臨界圧に達する前にすべての液体冷媒が気体冷媒に変化し終わること、したがって冷媒が完全に冷却に利用できることが望ましい。閉ループ冷却システム内の所与の冷媒量に関するシステムの体積は、液体がすべて気体に変わった時点での冷媒の熱力学的状態（例えば、圧力や温度）によって決定することが可能である。
【００２６】
ある種の実施形態ではそのシステムは、室温まで温まっても閉じた状態を維持している。このシステムの機械的強度は気体圧力を抑えるだけの強さが必要であり、これは次式の理想気体の法則に従って得ることができる。
【００２７】
ＰＶ＝ｎＲＴ
上式において、「Ｐ」は気体となるものの超臨界圧、「Ｖ」は気体の体積（すなわち、閉ループ冷却経路の体積）、「ｎ」は通常モル単位で計測される気体物質の量、「Ｒ」は８．３１４４７２ＪＫ−１ｍｏｌ−１である気体定数、また「Ｔ」は室温まで温度上昇したときのシステムの絶対温度である。
【００２８】
図示した実施形態ではそのシステムはさらに圧力がしきい値を超えたときに気体を出すための出口を備える。図示した実施形態ではその出口はインレット１３４と同じである。別の実施形態ではその出口は、例えば気体タンク１１８に隣接して配列させた別のアウトレットである。ある種の実施形態ではその冷媒システム１１０は、安全を目的として閉ループ冷却経路と出口の間に圧力逃がし弁及び／またはバーストディスク１３６を備える。ある種の実施形態ではその冷媒システム１１０は、ヒータ熱入力を制御し冷媒システム１１０の圧力及び温度を調節するように動作可能な制御器（図示せず）を備える。
【００２９】
図２を参照すると、冷媒システム１１０は医学的診断のための磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム１０内で使用されている。図示した実施形態では、ＭＲＩシステム１０はオペレータがシステム１０の動作を制御できるようにするためのオペレータコンソール１２を備える。この例示的なオペレータコンソール１２は、キーボードその他の入力デバイス１３、制御パネル１４及び表示画面１６を含む。コンソール１２は、オペレータが画像の作成及び表示画面１６上への画像表示を制御できるようにする単独のコンピュータシステム２０と、リンク１８を介して連絡している。コンピュータシステム２０は、バックプレーン２０ａを介して互いに連絡している多くのモジュールを含んでいる。これらのモジュールには、画像プロセッサモジュール２２、ＣＰＵモジュール２４、並びに当技術分野でフレームバッファとして知られている画像データアレイを記憶するためのメモリモジュール２６が含まれる。コンピュータシステム２０は、画像データ及びプログラムを記憶するためにディスク記憶装置２８及びテープ駆動装置３０とリンクしており、さらに高速シリアルリンク３４を介して単独のシステム制御部３２と連絡している。入力デバイス１３は、マウス、ジョイスティック、キーボード、トラックボール、タッチ作動スクリーン、光学読取り棒、音声制御器、あるいは同様な任意の入力デバイスや同等の入力デバイスを含むことができ、また入力デバイス１３は対話式幾何学指定のために使用することができる。
【００３０】
図示した実施形態では、システム制御部３２は、バックプレーン３２ａにより互いに接続させたモジュールの組を含んでいる。これらのモジュールには、ＣＰＵモジュール３６や、シリアルリンク４０を介してオペレータコンソール１２に接続させたパルス発生器モジュール３８が含まれる。システム制御部３２は、実行すべきスキャンシーケンスを指示するオペレータからのコマンドをこのリンク４０を介して受け取っている。パルス発生器モジュール３８は、各システムコンポーネントを動作させて所望のスキャンシーケンスを実行させ、発生させる無線周波数（ＲＦ）パルスのタイミング、強度及び形状、並びにデータ収集ウィンドウのタイミング及び長さを指示するデータを発生させている。パルス発生器モジュール３８は、スキャン中に発生させる傾斜パルスのタイミング及び形状を指示するために１組の傾斜増幅器４２と接続させている。パルス発生器モジュール３８はさらに、生理学的収集制御器４４から患者データを受け取ることができ、この生理学的収集制御器４４は、患者に装着した電極からのＥＣＧ信号など患者に接続した異なる多数のセンサからの信号を受け取っている。パルス発生器モジュール３８はスキャン室インタフェース回路４６と接続されており、スキャン室インタフェース回路４６はさらに、患者及びマグネット系の状態に関連付けした様々なセンサからの信号を受け取っている。このスキャン室インタフェース回路４６を介して、患者位置決めシステム４８はスキャンのために患者を所望の位置に移動させるコマンドを受け取っている。パルス発生器モジュール３８が発生させる傾斜波形は、Ｇｘ増幅器、Ｇｙ増幅器及びＧｚ増幅器を有する傾斜増幅器システム４２に加えられる。
【００３１】
マグネットアセンブリ５０は、傾斜コイルアセンブリ５２、偏向マグネット５４及び全身用ＲＦコイル５６を含む。傾斜コイルアセンブリ５２の物理的に対応する傾斜コイルを各傾斜増幅器によって励起させ、収集した信号の空間エンコードに使用される磁場傾斜を生成させている。システム制御部３２内の送受信器モジュール５８は、ＲＦ増幅器６０により増幅を受けて送信／受信スイッチ６２によりＲＦコイル５６に結合されるようなパルスを発生させている。患者内の励起された原子核が放出して得られた信号は、同じＲＦコイル５６により検知し、送信／受信スイッチ６２を介して前置増幅器６４に結合させることができる。増幅したＭＲ信号は、送受信器５８の受信器部分で復調され、フィルタ処理され、さらにディジタル化される。送信／受信スイッチ６２は、パルス発生器モジュール３８からの信号により制御し、送信モードではＲＦ増幅器６０をＲＦコイル５６と電気的に接続させ、受信モードでは前置増幅器６４をコイル５６に接続させている。送信／受信スイッチ６２によりさらに、送信モードと受信モードのいずれに関しても独立したＲＦコイル（例えば、表面コイル）を使用することが可能となる。
【００３２】
ＲＦコイル５６により取り込まれたＭＲ信号は送受信器モジュール５８によりディジタル化され、システム制御部３２内のメモリモジュール６６に転送される。未処理のｋ空間データのアレイをメモリモジュール６６内に収集し終わると１回のスキャンが完了となる。この未処理のｋ空間データは、各画像を再構成させるように別々のｋ空間データアレイの形に配置し直しており、これらの各々は、データをフーリエ変換して画像データのアレイにするように動作するアレイプロセッサ６８に入力される。この画像データはシリアルリンク３４を介してコンピュータシステム２０に送られ、コンピュータシステム２０において画像データはディスク記憶装置２８内などの記憶装置内に格納される。この画像データは、オペレータコンソール１２から受け取ったコマンドに応じて、テープ駆動装置３０上などの長期記憶装置内にアーカイブしたり、画像プロセッサ２２によりさらに処理してオペレータコンソール１２に伝達しディスプレイ１６上に表示させたりすることができる。
【００３３】
図示した実施形態では、マグネットアセンブリ５０はさらにボア７４を画定する真空容器７２を含む。撮像用途では、撮像のために対象がこのボア７４内に配置されることは当業者であれば理解されよう。したがってボア７４は対象の撮像ボリュームへのアクセスを提供している。
【００３４】
熱シールド１３２は真空容器７２の内部に配置されている。超伝導マグネット１１１は機械的支持構造（図示せず）によって熱シールド１３２内部に配置させている。超伝導マグネット１１１の一実施形態は、円筒状のボビン７６と該円筒状ボビン７６の外側表面上に巻きつけた複数の超伝導マグネットコイル７８とを含む。ある種の実施形態ではそのボビン７６はプラスチックその他など非導電材料から製作することがある。超伝導コイル７８は、ＮｂＴｉワイヤやＮｂ３Ｓｎワイヤなどの超伝導ワイヤのコイルから製作することがある。
【００３５】
図示した実施形態では冷媒システム１１０のインレット１３４は冷却経路内に冷媒を満たすために真空容器７２及び熱シールド１３２の最上部を通過して延びている。一実施形態ではそのインレット１３４はさらに、冷却経路内の圧力が高くなり過ぎたときに気体冷媒を放出するためのアウトレットにもなる。冷媒システムの冷凍機１２６は真空容器７２の最上部に配置させると共に、再凝縮器１１６は熱シールド１３２内まで延びている。冷却経路内の液体冷媒コンテナ１１４及び各チューブ区画は図示を簡略にするために図２から省略してある。複数の気体タンク１１８は熱シールド１３２の内側表面と熱的に接触させている。気体タンク１１８は、第４のチューブ区画１３３を通じてマグネット冷却チューブ１１２に至るように互いに流体結合させている。気体タンク１１８の総体積は、超臨界圧またはこの圧未満において液体冷媒のすべてが気化して気体冷媒になれるようにボイルオフ気体冷媒を収容できるだけの十分な大きさとなるように決定される。したがって、ライドスルー動作中における超伝導マグネット１１１の冷却のために液体冷媒を完全に利用できると共に、冷媒システムはより長時間のライドスルー動作を提供することが可能となる。
【００３６】
別の実施形態ではその冷媒システムは、例えば発電機や電動機の回転子、列車輸送のための磁気浮上装置などの別の用途の超伝導マグネット向けに用いることが可能である。
【００３７】
本明細書に記載した実施形態は、本発明の特許請求の範囲に記載した要素に対応する要素を有する組成、構造、システム及び方法に関する例である。ここに記載した説明によって当業者は本発明の特許請求の範囲に記載した要素に同様に対応する別の要素を有する実施形態の製作及び利用が可能となろう。したがって本発明の範囲は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない組成、構造、システム及び方法を含み、かつさらに本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない別の構造、システム及び方法を含む。本明細書ではある種の特徴及び実施形態についてのみ図示し記載しているが、当業者によれば多くの修正形態や変形形態がなされよう。添付の特許請求の範囲は、こうした修正形態や変形形態をすべて包含するものである。
【符号の説明】
【００３８】
１０ ＭＲＩシステム
１２ オペレータコンソール
１３ 入力デバイス
１４ 制御パネル
１６ 表示画面
１８ リンク
２０ コンピュータシステム
２０ａ バックプレーン
２２ プロセッサモジュール
２４ ＣＰＵモジュール
２６ メモリモジュール
２８ ディスク記憶装置
３０ テープ記憶装置
３２ システム制御部
３２ａ バックプレーン
３４ シリアルリンク
３６ ＣＰＵモジュール
３８ パルス発生器モジュール
４０ シリアルリンク
４２ 傾斜増幅器
４４ 収集制御器
４６ インタフェース回路
４８ 患者位置決めシステム
５０ マグネットアセンブリ
５２ 傾斜コイルアセンブリ
５４ 偏向マグネット
５６ ＲＦコイル
５８ 送受信器モジュール
６０ ＲＦ増幅器
６２ スイッチ
６４ 前置増幅器
６６ メモリモジュール
６８ アレイプロセッサ
７２ 真空容器
７４ ボア
７６ 円筒状ボビン
７８ 超伝導マグネットコイル
１１０ 冷媒コンテナ
１１１ 超伝導マグネット
１１２ マグネット冷却チューブ
１１３ 冷媒流通路
１１４ 液体冷媒コンテナ
１１６ 再凝縮器
１１８ 気体タンク
１２０ 冷却チューブの第１の開口部
１２１ 冷却チューブの第２の開口部
１２２ 第１のチューブ区画
１２４ 第２のチューブ区画
１２６ 冷凍機
１２８ 第３のチューブ区画
１２９ 第４のチューブ区画
１３０ 接続チューブ
１３１ Ｌ字形チューブ区画
１３３ 第５のチューブ区画
１３２ 熱シールド
１３４ インレット
１３６ 弁
１３８ ｎ字形コネクタ
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は超伝導マグネットのための冷媒システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導マグネットは、マグネットが以下において「超伝導温度」と呼ぶような適当な低い温度に維持されている限りにおいて抵抗なしに電気を導通させる。したがって、超伝導マグネットを確実に超伝導温度未満で動作させるために冷媒システムが用いられる。
【０００３】
従来の冷媒システムの１つは、超伝導マグネットに装着させた冷却コールドヘッドを使用している。超伝導マグネットに対してこうして冷却コールドヘッドを装着することには、コールドヘッドモータに対する浮遊磁場の有害な影響、コールドヘッドから超伝導マグネットへの振動伝達、コールドヘッドと超伝導マグネットの間の熱接続に沿った温度勾配を含む幾つかの欠点が存在する。
【０００４】
従来式の別の冷媒システムは、超伝導マグネットを冷却するために冷媒浴内で大体積の液体冷媒を使用している。超伝導マグネットの熱は液体冷媒を気体冷媒にボイルオフさせることによって除去される。幾つかのマグネットでは、ボイルオフさせた冷媒気体は大気中に排出されており、冷媒を補充するために定期的な冷媒保守が必要である。ある種のマグネットでは冷凍機またはクライオクーラを用いてボイルオフ冷媒気体を再凝縮させて液体に戻している。しかし、電力の停止やシステムメンテナンス中などで冷凍が停止となった場合や、マグネットがクエンチ状態になりマグネットが蓄えた電磁気エネルギーがダンプされて熱に変わった場合には、多くの量のボイルオフ冷媒気体が大気中に排出されて失われる。冷凍がオン状態に戻った後にも冷媒保守及び冷媒補充が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
完全な閉鎖系で包含する冷媒体積が非常に小さい（また冷媒をなくしてさらに冷媒システムから排出される気体冷媒を最小限にした目下利用可能なシステムと異ならせた）別の冷媒システムがあることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、超伝導マグネット向けの冷媒システムを提供する。本冷媒システムは閉ループ冷却経路を備える。この閉ループ冷却経路は、超伝導マグネットに熱的に結合されたマグネット冷却チューブを備える。このマグネット冷却チューブは冷媒流通路を備える。閉ループ冷却チューブはさらに、チューブ区画を通じてマグネット冷却チューブに流体結合させた再凝縮器と、マグネット冷却チューブと再凝縮器の間に流体結合させた液体冷媒コンテナと、を備える。マグネット冷却チューブに対しては接続チューブを通じて少なくとも１つの気体タンクを流体結合させている。
【０００７】
別の実施形態では、磁気共鳴撮像システムを提供する。本磁気共鳴撮像システムは、中央のボアを画定する超伝導マグネットと、超伝導マグネットを囲繞する熱シールドと、該熱シールド内部にある閉ループ冷却経路と、を備える。この閉ループ冷却チューブは超伝導マグネットに熱的に結合させたマグネット冷却チューブを備える。このマグネット冷却チューブは冷媒流通路を備える。マグネット冷却チューブに対してはチューブ区画を通じて再凝縮器を流体結合させており、これを冷凍機に関連付けさせている。マグネット冷却チューブと再凝縮器の間には液体冷媒コンテナを流体結合させている。熱シールドに対して少なくとも１つの気体タンクを熱的接触させると共に、これを接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに流体結合させている。
【０００８】
さらに別の実施形態では、超伝導マグネット向けの冷媒冷却方法を提供する。本方法は、マグネット冷却チューブを超伝導マグネットに熱的接触させるステップと、マグネット冷却チューブの少なくとも一部分を通じて液体冷媒を流すステップと、液体冷媒をボイルオフ気体冷媒に変換する気化によって超伝導マグネットの熱を除去するステップと、ボイルオフ気体冷媒の一部を液体冷媒に戻すように変換し該液体冷媒をマグネット冷却チューブに戻して満たすためにボイルオフ気体冷媒を再凝縮器と接触させるステップと、接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに流体結合された少なくとも１つの気体タンク内にボイルオフ気体冷媒の一部を蓄積するステップと、を含む。
【０００９】
本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による超伝導マグネット向けの冷媒システムの図である。
【図２】本発明の一実施形態による冷媒システムを用いた磁気共鳴撮像システムの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態は超伝導マグネット向けの冷媒システムに関する。本冷媒システムは少なくとも１つの閉ループ冷却経路を備えており、またこの閉ループ冷却経路は、超伝導マグネットに熱的に結合させた少なくとも１つの冷却チューブと、チューブ区画を通じてマグネット冷却チューブに流体結合させると共に冷凍機と関連付けさせた再凝縮器と、マグネット冷却チューブと再凝縮器の間に流体結合させた少なくとも１つの液体冷媒コンテナと、接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに流体結合させた少なくとも１つの気体タンクと、を備える。閉ループ冷却経路内には、マグネット冷却チューブの少なくとも一部分を通って流れる液体冷媒と、液体冷媒から気化した気体冷媒と、からなる冷媒が流れている。
【００１２】
図１を参照すると、超伝導マグネット１１１を冷却するための例示的な冷媒システム１１０を図示しているが、例証を目的として非常に誇張しており縮尺通りに表していない。図示した冷媒システム１１０は閉ループ冷却経路を備える。閉ループ冷却経路内には液体冷媒と気体冷媒の両者から成る冷媒が流れている。図示した実施形態では閉ループ冷却経路は、超伝導マグネット１１１と熱的に結合されたマグネット冷却チューブ１１２と、通常の冷却動作の間に液体冷媒を蓄積しておきマグネット冷却チューブ１１２の少なくとも一部分を通じて流れるように液体冷媒を送っている少なくとも１つの液体冷媒コンテナ１１４と、マグネット冷却チューブ１１２からのボイルオフ気体を液体冷媒コンテナ１１４に戻して満たすための液体に戻すように再凝縮させている再凝縮器１１６と、通常の冷却動作が崩壊したときの冷媒システムのライドスルー動作時に気体冷媒を蓄積するための少なくとも１つの気体タンク１１８と、を備える。
【００１３】
図示した実施形態では、マグネット冷却チューブ１１２は実質的に円形であると共に冷媒流通路１１３と該冷媒経路１１３内の第１及び第２の開口部１２０、１２１とを含む。通常の冷却動作の間に冷媒システム１１０は、マグネット冷却チューブ１１２内の液体冷媒を気体冷媒に変換することによる気化潜熱よって超伝導マグネット１１１の熱を除去する。したがって超伝導マグネット１１１はその超伝導温度に維持されると共に、その超伝導状態で動作される。ある種の実施形態ではその閉ループ冷却経路内を流れる冷媒は、窒素、ネオン、水素、ヘリウム、あるいはこうした気体、蒸気または液体の組み合わせ、あるいは超伝導マグネット１１１から十分な熱を引き出す能力をもつ適当な別の任意の冷媒とすることができる。
【００１４】
図示した実施形態ではその再凝縮器１１６を冷凍機１２６に関連付けさせており、この冷凍機１２６は、例えば約２ケルビン（Ｋ）〜約４Ｋなど十分に低い温度まで再凝縮器１１６を冷却して気体冷媒を液体相に戻すように変換している。再凝縮器１１６は、気体冷媒をその液体相に戻すように変換するように気体冷媒と接触した熱伝達表面積（図示せず）を有する。ある種の実施形態ではその再凝縮器１１６は良好な熱伝導率を有する銅またはアルミニウムを含む。
【００１５】
図示した実施形態ではその再凝縮器１１６は、再凝縮器１１６とマグネット冷却チューブ１１２の間の第１のチューブ区画１２２及び流体冷媒コンテナ１１４とマグネット冷却チューブ１１２の間の第２のチューブ区画１２４を通じてマグネット冷却チューブ１１２の第１の開口部１２０に流体結合させている。したがって、マグネット冷却チューブ１１２の第１の開口部１２０からの気体冷媒は第２のチューブ区画１２４と通じて液体冷媒コンテナ１１４まで流れ、またさらに第１のチューブ区画１２２を通じて再凝縮器１１６と接触するように流れて再凝縮器１１６により液体冷媒に変換される。代替的な一実施形態ではその再凝縮器１１６は、液体冷媒コンテナ１１４をバイパスするような１つのチューブ区画を通じて直接マグネット冷却チューブ１１２に結合されることがある。
【００１６】
図示した実施形態ではその再凝縮器１１６は、液体冷媒を液体冷媒コンテナ１１４内に送り込むために第３のチューブ区画１２８を通じて液体冷媒コンテナ１１４に流体結合させている。図示した実施形態ではその再凝縮器１１６は液体冷媒コンテナ１１４の上方に配置させている。したがって、液体冷媒は重力によって液体冷媒コンテナ１１４内に流れ込む。ある種の実施形態ではさらに、気体冷媒が再凝縮器１１６まで第３のチューブ区画１２８を通って流れることや、またさらに液体冷媒が第２のチューブ区画１２４を通って流れることがある。したがって、マグネット冷却チューブ１１２を通って流れる冷媒は、液体冷媒と気体冷媒の混合体となることがある。
【００１７】
図示した実施形態では液体冷媒コンテナ１１４は、マグネット冷却チューブ１１２の上方に位置決めされると共に、第４のチューブ区画１２９を通じてマグネット冷却チューブ１１２の第２の開口部１２１に結合されている。したがって液体冷媒は重力によって、第２の開口部１２１を通って液体冷媒コンテナ１１４からマグネット冷却チューブ１１２まで流れる。ある種の実施形態ではその液体冷媒コンテナ１１４は、ステンレス鋼、アルミニウムまたは複合材料を含む。ある種の実施形態では冷媒システム１１０は、再凝縮器１１６から液体冷媒を受け取りこの液体冷媒をマグネット冷却チューブ１１２を通して流している複数の液体冷媒コンテナ１１４を備える。
【００１８】
ある種の実施形態ではそのマグネット冷却チューブ１１２は、円周方向に沿った超伝導マグネット１１１の外側表面上に配列させている。別の実施形態ではそのマグネット冷却チューブ１１２は、超伝導マグネット１１１の実質的に長さ方向に沿って超伝導マグネット１１１の外側表面上に配列させることがある。ある種の実施形態では、超伝導マグネット１１１の外側表面上に複数の冷却チューブ１１２を配列させることがある。一実施形態ではそのマグネット冷却チューブ１１２は、マグネットコイルを直接冷却するために超伝導マグネット１１１のマグネットコイルと接触している電気絶縁層を有する。別の実施形態ではそのマグネット冷却チューブ１１２は、超伝導マグネット１１１の支持部分または冷却用素子と接触している。したがって、マグネットコイルからの熱は支持部分または冷却用素子と通ってマグネット冷却チューブ１１２まで送られると共に、この熱はさらに、冷却マグネットチューブ１１２内で液体冷媒を気体冷媒に変換する気化潜熱によって除去される。ある種の実施形態ではそのマグネット冷却チューブ１１２は、ステンレス鋼、アルミニウム、銅または真鍮材料を含む。
【００１９】
図示した実施形態では、マグネット冷却チューブ１１２の冷媒流通路１１３に対して接続チューブ１３０を通じて少なくとも１つの気体タンク１１８を流体結合させている。ある種の実施形態ではその気体タンク１１８は、ステンレス鋼、アルミニウム、真鍮、銅または複合材料を含む。図示した実施形態ではシステム１１０は複数の気体タンク１１８を備えていると共に、この複数の気体タンク１１８は接続チューブ１３３を通じて接続されている。気体タンク１１８はボイルオフ気体冷媒を受け取るために接続チューブ１３０を通じてマグネット冷却チューブ１１２に結合されている。図示した実施形態ではその接続チューブ１３０は、その最上部が実質的に水平方向でありかつより下側の部分が実質的に上から下の方向に向いたＬ字形を成している。図示した実施形態では、接続チューブ１３０の最上部は再凝縮器１１６とマグネット冷却チューブ１１２の間で第１のチューブ区画１１２に結合されている。代替的な一実施形態ではその気体タンク１１８は、液体冷媒コンテナ１１４をバイパスするように第２のチューブ区画１２４からルート設定された１つの接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに直接接続されることがある。別の実施形態ではシステム１１０は、その各々がマグネット冷却チューブ１１２を対応する気体タンク１１８に接続している複数の接続チューブを備える。図示した実施形態ではその気体タンク１１８は、マグネット冷却チューブ１１２より下側の位置に配列されている。別の実施形態ではその気体タンク１１８はマグネット冷却チューブ１１２より上方に位置決めされることがある。
【００２０】
ある種の実施形態ではその冷媒システム１１０はさらに、マグネット１１１を周囲温度から熱的に切り離している熱シールド１３２を備える。熱シールド１３２は、銅やアルミニウムなど熱伝導性材料から製作されることがある。図示した実施形態ではその気体タンク１１８は、熱シールド１３２の内側表面に沿って分布させると共に、熱シールド１３２と熱的に結合させている。ある種の実施形態ではその熱シールド１３２は、約４０Ｋ〜約８０Ｋの温度における超伝導マグネット１１１に対する低温放射シールドを含む。したがって、気体タンク１１８内の気体冷媒はライドスルー動作中により大きな温度上昇を受けることができる。別の実施形態ではその気体タンク１１８は、熱シールドの外側表面上に配置させることがある。
【００２１】
ある種の実施形態ではその冷媒システム１１０は、液体冷媒が気体タンク１１８内に流れ込むのを防止するために接続チューブ１３０内に阻止機構を備える。図示した実施形態ではその阻止機構は、通常の冷却動作中に気体タンク１１８に液体が流れ込むのを防止するために接続チューブ１３０の最上部にあるｎ字形コネクタ１３８である。
【００２２】
図示した実施形態ではその冷媒システム１１０はさらに、通常の冷却動作の開始前に超伝導マグネット１１１を室温などのより高い温度から超伝導マグネット１１１の超伝導温度まで冷却するために、スタートアップ動作中に閉ループ冷却経路内に気体冷媒または液体冷媒を導入するためのインレット１３４を備える。ある種の実施形態ではそのインレット１３４はさらに、閉ループ冷却経路内に冷媒を補充すなわち補給するためにも使用される。
【００２３】
ある種の実施形態では、スタートアップ動作中に気体冷媒がインレット１３４から閉ループ冷却経路内に連続して押入れられると共に再凝縮器１１６によってこれが液体冷媒に変換され、さらにこれがマグネット冷却チューブ１１２を通って流れて超伝導マグネット１１１から熱を除去する。ある種の実施形態では、スタート時に気体冷媒のすべてを高圧で閉ループ冷却経路内に充填しており、またこの高圧気体冷媒をインレット１３４から閉ループ冷却経路内に進めるために外部ポンプ（図示せず）を用いることが可能である。超伝導マグネット１１１の温度が４Ｋなどの超伝導温度に達したとき圧力は動作圧力まで到達し、冷媒システム１１０はその通常の冷却動作を開始させる。
【００２４】
ある種の実施形態では、冷凍機１２６が再凝縮器１１６に対する冷却を停止しているときや超伝導マグネット１１１が予期しないクエンチを受けているときなど冷媒システム１１０のライドスルー動作中では、再凝縮器１１６は十分なボイルオフ気体冷媒を液体冷媒に変換するだけの有効な冷却動作を提供することが不可能であり、また通常の冷却動作の継続は不可能である。閉ループ冷却経路の温度は上昇し、またボイルオフ気体冷媒は気体タンク１１８内に蓄積される。
【００２５】
ある種の実施形態では、気体タンク１１８の総体積（Ｖｔ）は、ライドスルー動作中に液体冷媒コンテナ内のすべての液体冷媒が気相に変換されたときも気体圧力を冷媒超臨界圧未満に維持するのに十分な体積となるように設計される。この超臨界圧を超えると、冷媒は熱を吸収しても液体から気体への相変化を生じない。冷媒潜熱はゼロになると共に、もはや超伝導コイルを安定した極低温に維持することはできない。したがって超臨界圧は選択した冷媒のタイプに依存する。ライドスルー動作中に圧力が超臨界圧に達する前にすべての液体冷媒が気体冷媒に変化し終わること、したがって冷媒が完全に冷却に利用できることが望ましい。閉ループ冷却システム内の所与の冷媒量に関するシステムの体積は、液体がすべて気体に変わった時点での冷媒の熱力学的状態（例えば、圧力や温度）によって決定することが可能である。
【００２６】
ある種の実施形態ではそのシステムは、室温まで温まっても閉じた状態を維持している。このシステムの機械的強度は気体圧力を抑えるだけの強さが必要であり、これは次式の理想気体の法則に従って得ることができる。
【００２７】
ＰＶ＝ｎＲＴ
上式において、「Ｐ」は気体となるものの超臨界圧、「Ｖ」は気体の体積（すなわち、閉ループ冷却経路の体積）、「ｎ」は通常モル単位で計測される気体物質の量、「Ｒ」は８．３１４４７２ＪＫ−１ｍｏｌ−１である気体定数、また「Ｔ」は室温まで温度上昇したときのシステムの絶対温度である。
【００２８】
図示した実施形態ではそのシステムはさらに圧力がしきい値を超えたときに気体を出すための出口を備える。図示した実施形態ではその出口はインレット１３４と同じである。別の実施形態ではその出口は、例えば気体タンク１１８に隣接して配列させた別のアウトレットである。ある種の実施形態ではその冷媒システム１１０は、安全を目的として閉ループ冷却経路と出口の間に圧力逃がし弁及び／またはバーストディスク１３６を備える。ある種の実施形態ではその冷媒システム１１０は、ヒータ熱入力を制御し冷媒システム１１０の圧力及び温度を調節するように動作可能な制御器（図示せず）を備える。
【００２９】
図２を参照すると、冷媒システム１１０は医学的診断のための磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム１０内で使用されている。図示した実施形態では、ＭＲＩシステム１０はオペレータがシステム１０の動作を制御できるようにするためのオペレータコンソール１２を備える。この例示的なオペレータコンソール１２は、キーボードその他の入力デバイス１３、制御パネル１４及び表示画面１６を含む。コンソール１２は、オペレータが画像の作成及び表示画面１６上への画像表示を制御できるようにする単独のコンピュータシステム２０と、リンク１８を介して連絡している。コンピュータシステム２０は、バックプレーン２０ａを介して互いに連絡している多くのモジュールを含んでいる。これらのモジュールには、画像プロセッサモジュール２２、ＣＰＵモジュール２４、並びに当技術分野でフレームバッファとして知られている画像データアレイを記憶するためのメモリモジュール２６が含まれる。コンピュータシステム２０は、画像データ及びプログラムを記憶するためにディスク記憶装置２８及びテープ駆動装置３０とリンクしており、さらに高速シリアルリンク３４を介して単独のシステム制御部３２と連絡している。入力デバイス１３は、マウス、ジョイスティック、キーボード、トラックボール、タッチ作動スクリーン、光学読取り棒、音声制御器、あるいは同様な任意の入力デバイスや同等の入力デバイスを含むことができ、また入力デバイス１３は対話式幾何学指定のために使用することができる。
【００３０】
図示した実施形態では、システム制御部３２は、バックプレーン３２ａにより互いに接続させたモジュールの組を含んでいる。これらのモジュールには、ＣＰＵモジュール３６や、シリアルリンク４０を介してオペレータコンソール１２に接続させたパルス発生器モジュール３８が含まれる。システム制御部３２は、実行すべきスキャンシーケンスを指示するオペレータからのコマンドをこのリンク４０を介して受け取っている。パルス発生器モジュール３８は、各システムコンポーネントを動作させて所望のスキャンシーケンスを実行させ、発生させる無線周波数（ＲＦ）パルスのタイミング、強度及び形状、並びにデータ収集ウィンドウのタイミング及び長さを指示するデータを発生させている。パルス発生器モジュール３８は、スキャン中に発生させる傾斜パルスのタイミング及び形状を指示するために１組の傾斜増幅器４２と接続させている。パルス発生器モジュール３８はさらに、生理学的収集制御器４４から患者データを受け取ることができ、この生理学的収集制御器４４は、患者に装着した電極からのＥＣＧ信号など患者に接続した異なる多数のセンサからの信号を受け取っている。パルス発生器モジュール３８はスキャン室インタフェース回路４６と接続されており、スキャン室インタフェース回路４６はさらに、患者及びマグネット系の状態に関連付けした様々なセンサからの信号を受け取っている。このスキャン室インタフェース回路４６を介して、患者位置決めシステム４８はスキャンのために患者を所望の位置に移動させるコマンドを受け取っている。パルス発生器モジュール３８が発生させる傾斜波形は、Ｇｘ増幅器、Ｇｙ増幅器及びＧｚ増幅器を有する傾斜増幅器システム４２に加えられる。
【００３１】
マグネットアセンブリ５０は、傾斜コイルアセンブリ５２、偏向マグネット５４及び全身用ＲＦコイル５６を含む。傾斜コイルアセンブリ５２の物理的に対応する傾斜コイルを各傾斜増幅器によって励起させ、収集した信号の空間エンコードに使用される磁場傾斜を生成させている。システム制御部３２内の送受信器モジュール５８は、ＲＦ増幅器６０により増幅を受けて送信／受信スイッチ６２によりＲＦコイル５６に結合されるようなパルスを発生させている。患者内の励起された原子核が放出して得られた信号は、同じＲＦコイル５６により検知し、送信／受信スイッチ６２を介して前置増幅器６４に結合させることができる。増幅したＭＲ信号は、送受信器５８の受信器部分で復調され、フィルタ処理され、さらにディジタル化される。送信／受信スイッチ６２は、パルス発生器モジュール３８からの信号により制御し、送信モードではＲＦ増幅器６０をＲＦコイル５６と電気的に接続させ、受信モードでは前置増幅器６４をコイル５６に接続させている。送信／受信スイッチ６２によりさらに、送信モードと受信モードのいずれに関しても独立したＲＦコイル（例えば、表面コイル）を使用することが可能となる。
【００３２】
ＲＦコイル５６により取り込まれたＭＲ信号は送受信器モジュール５８によりディジタル化され、システム制御部３２内のメモリモジュール６６に転送される。未処理のｋ空間データのアレイをメモリモジュール６６内に収集し終わると１回のスキャンが完了となる。この未処理のｋ空間データは、各画像を再構成させるように別々のｋ空間データアレイの形に配置し直しており、これらの各々は、データをフーリエ変換して画像データのアレイにするように動作するアレイプロセッサ６８に入力される。この画像データはシリアルリンク３４を介してコンピュータシステム２０に送られ、コンピュータシステム２０において画像データはディスク記憶装置２８内などの記憶装置内に格納される。この画像データは、オペレータコンソール１２から受け取ったコマンドに応じて、テープ駆動装置３０上などの長期記憶装置内にアーカイブしたり、画像プロセッサ２２によりさらに処理してオペレータコンソール１２に伝達しディスプレイ１６上に表示させたりすることができる。
【００３３】
図示した実施形態では、マグネットアセンブリ５０はさらにボア７４を画定する真空容器７２を含む。撮像用途では、撮像のために対象がこのボア７４内に配置されることは当業者であれば理解されよう。したがってボア７４は対象の撮像ボリュームへのアクセスを提供している。
【００３４】
熱シールド１３２は真空容器７２の内部に配置されている。超伝導マグネット１１１は機械的支持構造（図示せず）によって熱シールド１３２内部に配置させている。超伝導マグネット１１１の一実施形態は、円筒状のボビン７６と該円筒状ボビン７６の外側表面上に巻きつけた複数の超伝導マグネットコイル７８とを含む。ある種の実施形態ではそのボビン７６はプラスチックその他など非導電材料から製作することがある。超伝導コイル７８は、ＮｂＴｉワイヤやＮｂ３Ｓｎワイヤなどの超伝導ワイヤのコイルから製作することがある。
【００３５】
図示した実施形態では冷媒システム１１０のインレット１３４は冷却経路内に冷媒を満たすために真空容器７２及び熱シールド１３２の最上部を通過して延びている。一実施形態ではそのインレット１３４はさらに、冷却経路内の圧力が高くなり過ぎたときに気体冷媒を放出するためのアウトレットにもなる。冷媒システムの冷凍機１２６は真空容器７２の最上部に配置させると共に、再凝縮器１１６は熱シールド１３２内まで延びている。冷却経路内の液体冷媒コンテナ１１４及び各チューブ区画は図示を簡略にするために図２から省略してある。複数の気体タンク１１８は熱シールド１３２の内側表面と熱的に接触させている。気体タンク１１８は、第４のチューブ区画１３３を通じてマグネット冷却チューブ１１２に至るように互いに流体結合させている。気体タンク１１８の総体積は、超臨界圧またはこの圧未満において液体冷媒のすべてが気化して気体冷媒になれるようにボイルオフ気体冷媒を収容できるだけの十分な大きさとなるように決定される。したがって、ライドスルー動作中における超伝導マグネット１１１の冷却のために液体冷媒を完全に利用できると共に、冷媒システムはより長時間のライドスルー動作を提供することが可能となる。
【００３６】
別の実施形態ではその冷媒システムは、例えば発電機や電動機の回転子、列車輸送のための磁気浮上装置などの別の用途の超伝導マグネット向けに用いることが可能である。
【００３７】
本明細書に記載した実施形態は、本発明の特許請求の範囲に記載した要素に対応する要素を有する組成、構造、システム及び方法に関する例である。ここに記載した説明によって当業者は本発明の特許請求の範囲に記載した要素に同様に対応する別の要素を有する実施形態の製作及び利用が可能となろう。したがって本発明の範囲は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない組成、構造、システム及び方法を含み、かつさらに本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない別の構造、システム及び方法を含む。本明細書ではある種の特徴及び実施形態についてのみ図示し記載しているが、当業者によれば多くの修正形態や変形形態がなされよう。添付の特許請求の範囲は、こうした修正形態や変形形態をすべて包含するものである。
【符号の説明】
【００３８】
１０ ＭＲＩシステム
１２ オペレータコンソール
１３ 入力デバイス
１４ 制御パネル
１６ 表示画面
１８ リンク
２０ コンピュータシステム
２０ａ バックプレーン
２２ プロセッサモジュール
２４ ＣＰＵモジュール
２６ メモリモジュール
２８ ディスク記憶装置
３０ テープ記憶装置
３２ システム制御部
３２ａ バックプレーン
３４ シリアルリンク
３６ ＣＰＵモジュール
３８ パルス発生器モジュール
４０ シリアルリンク
４２ 傾斜増幅器
４４ 収集制御器
４６ インタフェース回路
４８ 患者位置決めシステム
５０ マグネットアセンブリ
５２ 傾斜コイルアセンブリ
５４ 偏向マグネット
５６ ＲＦコイル
５８ 送受信器モジュール
６０ ＲＦ増幅器
６２ スイッチ
６４ 前置増幅器
６６ メモリモジュール
６８ アレイプロセッサ
７２ 真空容器
７４ ボア
７６ 円筒状ボビン
７８ 超伝導マグネットコイル
１１０ 冷媒コンテナ
１１１ 超伝導マグネット
１１２ マグネット冷却チューブ
１１３ 冷媒流通路
１１４ 液体冷媒コンテナ
１１６ 再凝縮器
１１８ 気体タンク
１２０ 冷却チューブの第１の開口部
１２１ 冷却チューブの第２の開口部
１２２ 第１のチューブ区画
１２４ 第２のチューブ区画
１２６ 冷凍機
１２８ 第３のチューブ区画
１２９ 第４のチューブ区画
１３０ 接続チューブ
１３１ Ｌ字形チューブ区画
１３３ 第５のチューブ区画
１３２ 熱シールド
１３４ インレット
１３６ 弁
１３８ ｎ字形コネクタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉ループ冷却経路を備えた超伝導マグネット向けの冷媒システムであって、該閉ループ冷却経路は、
超伝導マグネットに熱的に結合させた冷媒流通路を備えたマグネット冷却チューブと、
チューブ区画を通じてマグネット冷却チューブに流体結合させた再凝縮器と、
マグネット冷却チューブと再凝縮器の間に流体結合させた液体冷媒コンテナと、
接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに流体結合させた少なくとも１つの気体タンクと、
を備えている、冷媒システム。
【請求項２】
前記液体冷媒コンテナは再凝縮器の下方に配列させている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記液体冷媒コンテナはマグネット冷却チューブの上方に配列させている、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記マグネット冷却チューブは超伝導マグネットの外側表面に接して配列させている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記マグネット冷却チューブは、ステンレス鋼、真鍮、銅またはアルミニウム材料を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記閉ループ冷却経路は相互接続した複数の気体タンクを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記複数の気体タンクは互いに流体結合されている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも１つの気体タンクは、ステンレス鋼、真鍮、銅、アルミニウムまたは複合材料を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記超伝導マグネットを囲繞する熱シールドをさらに備えると共に、前記少なくとも１つの気体タンクが該熱シールドに熱的に結合されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記熱シールドは、超伝導マグネットを約４０ケルビン〜約８０ケルビンの温度にする低温放射シールドを備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記閉ループ冷却経路は、気体冷媒の圧力が決定した値を超えたときに気体冷媒を放出するための出口を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
中央のボアを画定する超伝導マグネットと、
超伝導マグネットを囲繞する熱シールドと、
熱シールド内部にある閉ループ冷却経路であって、
超伝導マグネットに熱的に結合させた冷媒流通路を備えたマグネット冷却チューブと、
チューブ区画を通じてマグネット冷却チューブに流体結合されると共に冷凍機に関連付けされた再凝縮器と、
マグネット冷却チューブと再凝縮器の間に流体結合させた液体冷媒コンテナと、
熱シールドと熱的接触すると共に接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに流体結合させた少なくとも１つの気体タンクと、
を備えている閉ループ冷却経路と、
を備える磁気共鳴撮像システム。
【請求項１３】
熱シールドを囲繞する真空容器をさらに備える請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
傾斜コイルアセンブリ、偏向マグネット及び全身用ＲＦコイルを中央のボアの内側表面に隣接して含むマグネットアセンブリをさらに備える請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記気体タンクは熱シールドの内側または外側表面に沿って配列させている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
超伝導マグネット向けの冷媒冷却方法であって、
マグネット冷却チューブを超伝導マグネットに熱的接触させるステップと、
マグネット冷却チューブの少なくとも一部分を通じて液体冷媒を流すステップと、
液体冷媒をボイルオフ気体冷媒に変換する気化によって超伝導マグネットの熱を除去するステップと、
ボイルオフ気体冷媒の一部を液体冷媒に戻すように変換し該液体冷媒をマグネット冷却チューブ内に戻して満たすためにボイルオフ気体冷媒を再凝縮器と接触させるステップと、
接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに流体結合させた少なくとも１つの気体タンク内にボイルオフ気体冷媒の一部を蓄積するステップと、
を含む方法。
【請求項１７】
液体冷媒がすべて気体冷媒に変換されかつシステム内の気体圧力が気体冷媒の超臨界圧またはこれ未満であるときにボイルオフ気体冷媒のすべてが冷媒システム内に蓄積されることに基づいてボイルオフ気体冷媒の体積を決定するステップをさらに含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１】
閉ループ冷却経路を備えた超伝導マグネット向けの冷媒システムであって、該閉ループ冷却経路は、
超伝導マグネットに熱的に結合させた冷媒流通路を備えたマグネット冷却チューブと、
チューブ区画を通じてマグネット冷却チューブに流体結合させた再凝縮器と、
マグネット冷却チューブと再凝縮器の間に流体結合させた液体冷媒コンテナと、
接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに流体結合させた少なくとも１つの気体タンクと、
を備えている、冷媒システム。
【請求項２】
前記液体冷媒コンテナは再凝縮器の下方に配列させている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記液体冷媒コンテナはマグネット冷却チューブの上方に配列させている、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記マグネット冷却チューブは超伝導マグネットの外側表面に接して配列させている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記マグネット冷却チューブは、ステンレス鋼、真鍮、銅またはアルミニウム材料を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記閉ループ冷却経路は相互接続した複数の気体タンクを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記複数の気体タンクは互いに流体結合されている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも１つの気体タンクは、ステンレス鋼、真鍮、銅、アルミニウムまたは複合材料を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記超伝導マグネットを囲繞する熱シールドをさらに備えると共に、前記少なくとも１つの気体タンクが該熱シールドに熱的に結合されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記熱シールドは、超伝導マグネットを約４０ケルビン〜約８０ケルビンの温度にする低温放射シールドを備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記閉ループ冷却経路は、気体冷媒の圧力が決定した値を超えたときに気体冷媒を放出するための出口を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
中央のボアを画定する超伝導マグネットと、
超伝導マグネットを囲繞する熱シールドと、
熱シールド内部にある閉ループ冷却経路であって、
超伝導マグネットに熱的に結合させた冷媒流通路を備えたマグネット冷却チューブと、
チューブ区画を通じてマグネット冷却チューブに流体結合されると共に冷凍機に関連付けされた再凝縮器と、
マグネット冷却チューブと再凝縮器の間に流体結合させた液体冷媒コンテナと、
熱シールドと熱的接触すると共に接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに流体結合させた少なくとも１つの気体タンクと、
を備えている閉ループ冷却経路と、
を備える磁気共鳴撮像システム。
【請求項１３】
熱シールドを囲繞する真空容器をさらに備える請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
傾斜コイルアセンブリ、偏向マグネット及び全身用ＲＦコイルを中央のボアの内側表面に隣接して含むマグネットアセンブリをさらに備える請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記気体タンクは熱シールドの内側または外側表面に沿って配列させている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
超伝導マグネット向けの冷媒冷却方法であって、
マグネット冷却チューブを超伝導マグネットに熱的接触させるステップと、
マグネット冷却チューブの少なくとも一部分を通じて液体冷媒を流すステップと、
液体冷媒をボイルオフ気体冷媒に変換する気化によって超伝導マグネットの熱を除去するステップと、
ボイルオフ気体冷媒の一部を液体冷媒に戻すように変換し該液体冷媒をマグネット冷却チューブ内に戻して満たすためにボイルオフ気体冷媒を再凝縮器と接触させるステップと、
接続チューブを通じてマグネット冷却チューブに流体結合させた少なくとも１つの気体タンク内にボイルオフ気体冷媒の一部を蓄積するステップと、
を含む方法。
【請求項１７】
液体冷媒がすべて気体冷媒に変換されかつシステム内の気体圧力が気体冷媒の超臨界圧またはこれ未満であるときにボイルオフ気体冷媒のすべてが冷媒システム内に蓄積されることに基づいてボイルオフ気体冷媒の体積を決定するステップをさらに含む請求項１６に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−９２７１０（Ｐ２０１１−９２７１０Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３６９４３（Ｐ２０１０−２３６９４３）
【出願日】平成２２年１０月２２日（２０１０．１０．２２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２２日（２０１０．１０．２２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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