(57)【要約】  装置１００は、外側シェル２１１と、外側シェル内に配置される内側容器２１２と、外側シェル内に配置される第１の段２６１及び内側容器の内部に接触する第２の段２６２を有するコールドヘッド２６０と、内側容器の内部から外側シェルの外部まで延在する通気口２１５と、第１及び第２の熱交換器３０２ａ、３０２ｂと、内側容器と外側シェルとの間に配置される第１の熱遮断体２１３と、内側容器と第１の熱遮断体との間に配置される第２の熱遮断体２１４とを含む。第１の熱遮断体は、コールドヘッドの第１の段及び第１の熱交換器に熱的に接続され、また、内側容器及び外側シェルから熱的に分離される。第２の熱遮断体は、第２の熱交換器に熱的に接続され、内側容器、外側シェル、第１の熱遮断体及びコールドヘッドから熱的に分離される。
2019506913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者を保持する患者台と、
電流が通ると磁場を生成する超電導導電性コイルと、
磁気共鳴撮像装置が画像を生成するため前記患者の一部を少なくとも部分的に取り囲む傾斜磁場コイルと、
前記患者の前記一部に無線周波数信号を印加し、前記磁場のアライメントを変更する無線周波数コイルと、
前記無線周波数信号及び前記患者によって引き起こされる前記磁場の変化を検出するセンサと、
外側シェルと、
前記外側シェル内に配置される内側容器であって、前記超電導導電性コイルが前記内側容器の中に配置され、前記内側容器の中に配置された低温流体を有する内側容器と、
前記外側シェル内に配置され、第１の温度までの冷却を提供する第１の冷却段、及び、前記外側シェル内に配置され、前記内側容器内の前記低温流体に接触し、前記低温流体を、前記第１の温度より低い第２の温度まで冷却する第２の冷却段を有するコールドヘッドと、
前記内側容器の内部から前記外側シェルの外部まで延在し、第１の熱交換器及び第２の熱交換器と関連付けられている通気口と、
前記内側容器と前記外側シェルとの間に配置され、前記コールドヘッドの前記第１の冷却段に熱的に接続され、更に前記第１の熱交換器に熱的に接続され、前記内側容器及び前記外側シェルから熱的に分離される第１の熱遮断体と、
前記内側容器と前記第１の熱遮断体との間に配置され、前記第２の熱交換器に熱的に接続され、前記内側容器、前記外側シェル、前記第１の熱遮断体及び前記コールドヘッドから熱的に分離される第２の熱遮断体と、
前記内側容器、前記外側シェル、前記第１の熱遮断体及び前記第２の熱遮断体を互いに取り付ける複数の熱分離支持要素と、
を含み、
前記第１の熱遮断体と前記外側シェルとの間に、第１の真空空間が画定され、
前記第１の熱遮断体と前記第２の熱遮断体との間に第２の真空空間が画定され、前記第１の熱遮断体と前記内側容器との間に第３の真空空間が画定される、磁気共鳴撮像装置。
【請求項２】
前記複数の熱分離支持要素は、ケブラ、ｓガラス／エポキシ、Ｇ−１０、カーボンファイバ／エポキシ及びアルミナから選択されるもので作られる、請求項１に記載の磁気共鳴撮像装置。
【請求項３】
前記複数の熱分離支持要素は更に、
前記内側容器、前記第２の熱遮断体及び前記外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、
前記第１の熱遮断体及び前記第２の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素と、
を含み、
前記第１の熱遮断体及び前記第２の熱遮断体は共に、前記少なくとも１つの第１の熱分離支持要素に熱的に取り付けられる、請求項１に記載の磁気共鳴撮像装置。
【請求項４】
前記複数の熱分離支持要素は更に、
前記内側容器、前記第１の熱遮断体及び前記外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、
前記第１の熱遮断体及び前記第２の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素と、
を含み、
前記第１の熱遮断体及び前記第２の熱遮断体は共に、前記少なくとも１つの第１の熱分離支持要素に熱的に取り付けられる、請求項１に記載の磁気共鳴撮像装置。
【請求項５】
前記複数の熱分離支持要素は更に、
前記内側容器、前記第１の熱遮断体及び前記外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、
前記第１の熱遮断体及び前記内側容器を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素と、
を含み、
前記第１の熱遮断体及び前記第２の熱遮断体は共に、前記少なくとも１つの第１の熱分離支持要素に熱的に取り付けられる、請求項１に記載の磁気共鳴撮像装置。
【請求項６】
前記コールドヘッドは、前記外側シェルに溶接される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記内側容器は、その中に配置された前記低温流体として、液体ヘリウムを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記コールドヘッドが給電されない一定時間後、ヘリウムガスが、前記内側容器から前記外側シェルの外側へと前記通気口を通過する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の温度は、３５°Ｋ乃至７５°Ｋの範囲内であり、前記第２の温度は、５°Ｋ未満である、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記複数の熱分離支持要素は、少なくとも１つのフレキシブル支持要素を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
外側シェルと、
前記外側シェル内に配置される内側容器であって、導電性コイルがその中に配置される内側容器と、
前記外側シェル内に配置される第１の冷却段、及び、前記外側シェル内に配置される第２の冷却段であって、前記内側容器内の内部空間に接触する第２の冷却段を有するコールドヘッドと、
前記内側容器の内部から前記外側シェルの外部まで延在し、第１の熱交換器及び第２の熱交換器と関連付けられる通気口と、
前記内側容器と前記外側シェルとの間に配置され、前記コールドヘッドの前記第１の冷却段に熱的に接続され、更に前記第１の熱交換器に熱的に接続され、前記内側容器及び前記外側シェルから熱的に分離される第１の熱遮断体と、
前記内側容器と前記第１の熱遮断体との間に配置され、前記第２の熱交換器に熱的に接続され、前記内側容器、前記外側シェル、前記第１の熱遮断体及び前記コールドヘッドから熱的に分離される第２の熱遮断体と、
を含む、装置。
【請求項１２】
前記内側容器、前記第２の熱遮断体及び前記外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、
前記第１の熱遮断体及び前記第２の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素と、
を更に含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１の熱遮断体及び前記第２の熱遮断体は共に、前記少なくとも１つの第１の熱分離支持要素に熱的に取り付けられる、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記内側容器、前記第１の熱遮断体及び前記外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、
前記第１の熱遮断体及び前記第２の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素と、
を更に含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１の熱遮断体及び前記第２の熱遮断体は共に、前記少なくとも１つの第１の熱分離支持要素に熱的に取り付けられる、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記内側容器、前記第１の熱遮断体及び前記外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、
前記第１の熱遮断体及び前記内側容器を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素と、
を更に含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１の熱遮断体及び前記第２の熱遮断体は共に、前記少なくとも１つの第１の熱分離支持要素に熱的に取り付けられる、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記内側容器及び前記第２の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、
前記第１の熱遮断体及び前記第２の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素と、
前記第２の熱遮断体及び前記外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第３の熱分離支持要素と、
を更に含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１９】
前記内側容器及び前記第１の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、
前記第１の熱遮断体及び前記第２の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素と、
前記第１の熱遮断体及び前記外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第３の熱分離支持要素と、
を更に含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項２０】
前記内側容器及び前記第１の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、
前記第１の熱遮断体及び前記内側容器を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素と、
前記第１の熱遮断体及び前記外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第３の熱分離支持要素と、
を更に含む、請求項１１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置と、ＭＲＩ装置の磁石の超電導コイルを冷却するクライオスタットとに関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導磁石システムは、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析及び磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）を含む様々なコンテキストにおいて使用される。超電導を実現するために、磁石が、絶対零度に近い温度の極低温環境内に維持される。通常、磁石システムは、１つ以上の磁石として動作し、クライオスタット内に配置され、超電導を維持するために、液体ヘリウムといった低温流体によって冷却される１つ以上の導電性コイルを含む。低温流体は、クライオスタット内の温度を略絶対零度に維持することによって磁石の超電導状態が持続するように、冷却ユニット、即ち、「コールドヘッド」を駆動するコンプレッサを含む冷凍ユニットによって冷却される。
【０００３】
しかし、クライオスタットの輸送中、例えば冷凍システムは通常給電されていない。この場合、クライオスタット内の低温流体の温度は上昇し始める。輸送の間そうであるように、長時間の間、冷凍システムに給電されなかったならば、これは、最終的に、低温流体の一部又はすべてを、例えば典型的に超電導磁石システムに含まれる通気口又は圧力逃し弁を介して蒸発及び損失させてしまう。実際に、輸送時間が長過ぎると、液体ヘリウムの全インベントリが損失してしまう場合がある。ヘリウム損失率が高いクライオスタットは、難しいロジスティック上の困難を提示する。これは、到着時に温かいヘリウム容器をもたらしてしまうヘリウムのインベントリの完全なる枯渇がないように、輸送時間が注意深く管理されなければならないからである。温かいヘリウム容器は、目的地で解決することが複雑且つ高価となる問題である。
【０００４】
更に、システム設置後、冷凍システムが、例えばコンプレッサの故障により又はコンプレッサを作動させるためのＡＣ主電源電力の損失により、稼働しなくなることも可能であり、これにより、超電導磁石システムの冷凍が中断する。コンプレッサが給電されなくなり、コールドヘッドが低温流体の冷却を止めると、クライオスタット内の状態は劣化し、磁石の温度が上昇し始める。ある時点で、磁石の環境の冷却を復元するために、電力が再度印加されなければ、磁石の温度は、磁石が「クエンチ」し、その磁気エネルギーを熱エネルギーに変換し、これにより、クライオスタット内の低温流体を加熱してしまう、いわゆる臨界温度に達するまで上昇する。これも、通気口又は圧力逃し弁を介して低温流体の一部又はすべてを蒸発及び損失させる。更に、熱は、磁石及び／又は装置の他のコンポーネントに損傷を与える。
【０００５】
この場合、電力が復元されると、磁石を超電導動作に戻すには、クライオスタット内の損失した低温流体を交換し、再び磁石を臨界温度よりも下に冷却し、リード線を磁石に接続して外部電源からの電流を磁石に再度印加して磁場を再発生させ、その後、磁石を外部電源から再び切断することが必要となる。更に、クエンチからの熱によって磁石又は他のコンポーネントが損傷した場合、これらも修理又は交換される必要がある。
【０００６】
この回復処理は、高価で時間がかかる。通常、熟練技術者が、超電導磁石システムがある施設（例えば医療センター又は病院）に派遣されなければならず、非常に高価である新しい低温流体（例えば液体ヘリウム）がクエンチ中の損失分を埋め合わせるようにクライオスタットに供給されなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、輸送、停電又は故障による冷凍の損失時の低温材料（例えばヘリウム）の損失率が少ないクライオスタットを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの態様では、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置は、患者を保持する患者台と、電流がその中を通されると磁場を生成する超電導導電性コイルと、ＭＲＩ装置が画像を生成する患者の一部を少なくとも部分的に取り囲む傾斜磁場コイルと、患者の一部に無線周波数（ＲＦ）信号を印加し、磁場のアライメントを変更するＲＦコイルと、無線周波数信号及び患者によって引き起こされる磁場の変化を検出するセンサと、外側シェルと、外側シェル内に配置され、超電導導電性コイルがその中に配置され、その中に配置された低温流体を有する内側容器と、外側シェル内に配置され、第１の温度までの冷却を提供する第１の冷却段、及び、外側シェル内に配置され、内側容器内の低温流体に接触し、低温流体を、第１の温度より低い第２の温度まで冷却する第２の冷却段を有するコールドヘッドと、内側容器の内部から外側シェルの外部まで延在し、第１の熱交換器及び第２の熱交換器と関連付けられている通気口と、内側容器と外側シェルとの間に配置され、コールドヘッドの第２の冷却段に熱的に接続され、更に第１の熱交換器に熱的に接続され、内側容器及び外側シェルから熱的に分離される第１の熱遮断体と、内側容器と第１の熱遮断体との間に配置され、第２の熱交換器に熱的に接続され、内側容器、外側シェル、第１の熱遮断体及びコールドヘッドから熱的に分離される第２の熱遮断体と、内側容器、外側シェル、第１の熱遮断体及び第２の熱遮断体を互いに取り付ける複数の熱分離支持要素とを含み、第１の真空空間が、第１の熱遮断体と外側シェルとの間に画定され、第２の真空空間が、第１の熱遮断体と第２の熱遮断体との間に画定され、第３の真空空間が、第１の熱遮断体と内側容器との間に画定される。
【０００９】
幾つかの実施形態では、複数の熱分離支持要素は、ケブラ、ｓガラス／エポキシ、Ｇ−１０、カーボンファイバ／エポキシ及びアルミナから選択されるもので作られる。
【００１０】
幾つかの実施形態では、複数の熱分離支持要素は更に、内側容器、第２の熱遮断体及び外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、第１の熱遮断体及び第２の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素とを含み、第１の熱遮断体及び第２の熱遮断体は共に、少なくとも１つの第１の熱分離支持要素に熱的に取り付けられる。
【００１１】
幾つかの実施形態では、複数の熱分離支持要素は更に、内側容器、第１の熱遮断体及び外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、第１の熱遮断体及び第２の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素とを含み、第１の熱遮断体及び第２の熱遮断体は共に、少なくとも１つの第１の熱分離支持要素に熱的に取り付けられる。
【００１２】
幾つかの実施形態では、複数の熱分離支持要素は更に、内側容器、第１の熱遮断体及び外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、第１の熱遮断体及び内側容器を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素とを含み、第１の熱遮断体及び第２の熱遮断体は共に、少なくとも１つの第１の熱分離支持要素に熱的に取り付けられる。
【００１３】
幾つかの実施形態では、コールドヘッドは、外側シェルに溶接される。
【００１４】
幾つかの実施形態では、内側容器は、その中に配置された低温流体として、液体ヘリウムを有する。
【００１５】
これらの実施形態の幾つかのバージョンでは、コールドヘッドが給電されない一定時間後、ヘリウムガスが、内側容器から外側シェルの外側へと通気口を通過する。
【００１６】
幾つかの実施形態では、第１の温度は、３５°Ｋ乃至７５°Ｋの範囲内であり、第２の温度は、５°Ｋ未満である。
【００１７】
幾つかの実施形態では、複数の熱分離支持要素は、少なくとも１つのフレキシブル支持要素を含む。
【００１８】
本発明の別の態様では、装置は、外側シェルと、外側シェル内に配置され、導電性コイルがその中に配置される内側容器と、外側シェル内に配置される第１の冷却段、及び、外側シェル内に配置され、内側容器の内部空間に接触する第２の冷却段を有するコールドヘッドと、内側容器の内部から外側シェルの外部まで延在し、第１の熱交換器及び第２の熱交換器と関連付けられる通気口と、内側容器と外側シェルとの間に配置され、コールドヘッドの第２の冷却段に熱的に接続され、更に第１の熱交換器に熱的に接続され、内側容器及び外側シェルから熱的に分離される第１の熱遮断体と、内側容器と第１の熱遮断体との間に配置され、第２の熱交換器に熱的に接続され、内側容器、外側シェル、第１の熱遮断体及びコールドヘッドから熱的に分離される第２の熱遮断体とを含む。
【００１９】
幾つかの実施形態では、装置は更に、内側容器、第２の熱遮断体及び外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、第１の熱遮断体及び第２の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素とを含む。
【００２０】
これらの実施形態の幾つかのバージョンでは、第１の熱遮断体及び第２の熱遮断体は共に、少なくとも１つの第１の熱分離支持要素に熱的に取り付けられる。
【００２１】
幾つかの実施形態では、装置は更に、内側容器、第１の熱遮断体及び外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、第１の熱遮断体及び第２の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素とを含む。
【００２２】
これらの実施形態の幾つかのバージョンでは、第１の熱遮断体及び第２の熱遮断体は共に、少なくとも１つの第１の熱分離支持要素に熱的に取り付けられる。
【００２３】
幾つかの実施形態では、装置は更に、内側容器、第１の熱遮断体及び外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、第１の熱遮断体及び内側容器を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素とを含む。
【００２４】
これらの実施形態の幾つかのバージョンでは、第１の熱遮断体及び第２の熱遮断体は共に、少なくとも１つの第１の熱分離支持要素に熱的に取り付けられる。
【００２５】
幾つかの実施形態では、装置は更に、内側容器及び第２の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、第１の熱遮断体及び第２の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素と、第２の熱遮断体及び外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第３の熱分離支持要素とを含む。
【００２６】
幾つかの実施形態では、装置は更に、内側容器及び第１の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、第１の熱遮断体及び第２の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素と、第１の熱遮断体及び外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第３の熱分離支持要素とを含む。
【００２７】
幾つかの実施形態では、装置は更に、内側容器及び第１の熱遮断体を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第１の熱分離支持要素と、第１の熱遮断体及び内側容器を互いに物理的に接続する少なくとも１つの第２の熱分離支持要素と、第１の熱遮断体及び外側シェルを互いに物理的に接続する少なくとも１つの第３の熱分離支持要素とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
本発明は、添付図面と共に検討される場合に、以下に提示される例示的な実施形態の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
【００２９】
【図１】図１は、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置の例示的な実施形態を示す。
【図２】図２は、ＭＲＩ装置内に使用される超電導磁石システムの１つの例示的な実施形態を示す機能図である。
【図３】図３は、クライオスタットの第１の例示的な実施形態の一部とコールドヘッドとを示す。
【図４】図４は、クライオスタットの第２の例示的な実施形態の一部とコールドヘッドとを示す。
【図５】図５は、クライオスタットの第３の例示的な実施形態の一部とコールドヘッドとを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明は、以下に、添付図面を参照して、より詳細に説明される。添付図面には、本発明の実施形態が示される。しかし、本発明は、様々な形態で具体化されることが可能であり、本明細書に記載される実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本発明の教示例として提供されている。
【００３１】
図１は、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置１００の例示的な実施形態を示す。ＭＲＩ装置１００は、磁石システム１０２と、患者１０を保持する患者第１０４と、ＭＲＩ装置１００がその画像を生成する患者１０の少なくとも一部を少なくとも部分的に取り囲む傾斜磁場コイル１０６と、撮像されている患者１０の少なくとも一部に無線周波数信号を印加し、磁場のアライメントを変える無線周波数コイル１０８と、無線周波数信号及び患者１０によって引き起こされる磁場の変化を検出するセンサ２０とを含む。
【００３２】
ＭＲＩ装置の一般的な操作はよく知られているので、ここでは繰り返さない。
【００３３】
ＭＲＩ装置１００において、磁石システム１０２は、クライオスタット内に配置される１つ以上の導電性コイルを含む超電導磁石システムである。クライオスタット内に配置されることにより、導電性コイルは、超電導となるように冷凍器又は冷却器及び低温流体（例えば液体ヘリウム）によって非常に低い温度に維持される。
【００３４】
ゼロボイルオフ型システムと呼ばれるクライオスタットは、クライオスタット内の液体ヘリウム容器と、液体ヘリウム容器とクライオスタットの外側囲いとの間の１つの熱遮断体とを含み、この熱遮断体は、冷凍器の２段コールドヘッドの第１の冷却段に熱的に取り付けられる。コールドヘッドの第２の冷却段は、液体ヘリウムの沸点よりも低い温度において作動し、これにより、ヘリウム蒸気が熱交換器を介して液体状態に戻るように凝縮され、容器内の液体ヘリウムインベントリへと戻される。コールドヘッドの第１の冷却段に取り付けられる熱遮断体は、容器内のヘリウムを冷却する第２の冷却段よりもかなり高い温度範囲において作動する。熱遮断体の目的は、正常動作時のコールドヘッドの第１の冷却段への熱を可能な限り多くシャントして、これにより、任意の残存熱の液体ヘリウム容器への伝導を最小限に抑えることである。
【００３５】
しかし、クライオスタットの真空空間内のコールドヘッドを用いる単一の熱遮断システムに関連する問題は、上記したように、冷凍システムが故障した場合、又は、冷凍システムが給電されずにクライオスタットが輸送される間、ヘリウム損失率が高い点である。
【００３６】
ヘリウム損失率を減少させるために、漏出する冷ヘリウムガスを使用して、熱交換器を介して熱遮断体を冷却し、これにより、熱遮断体の温度が下がる。しかし、不都合なことに、熱遮断体への最大熱負荷は、コールドヘッドが作動していない時であり、これは、熱遮断体を１００°Ｋを上回る温度において作動させ、このときの液体ヘリウム容器への熱放射が多過ぎる。場合によっては、これは、１時間当たり３リットルよりもはるかに多い液体ヘリウムのヘリウム損失率をもたらすことがあり、これは望ましくない。
【００３７】
したがって、図２は、ＭＲＩ装置１００といったＭＲＩ装置内に使用され、コールドヘッドに熱的に結合していない「浮遊」熱遮断体を含む超電導磁石システム２００の例示的な実施形態を示す。具体的には、超電導磁石システム２００は、ＭＲＩ装置１００の磁石システム１０２の一実施形態である。当然ながら、一般的に、超電導磁石システム２００は、図２に示されていない他のコンポーネントを多く含んでいる。幾つかのコンポーネントは、説明を明瞭とし、以下に説明される本発明の態様を曖昧にしないために、図２から省略されている。
【００３８】
超電導磁石システム２００は、囲い、即ち、外側真空容器（以下、外側シェルと呼ぶ）２１１と、すべて外側シェル２１１内に配置される第１の熱遮断体２１３と、第２の熱遮断体２１４と、液体ヘリウムタンク、即ち、容器（以下、内側容器と呼ぶ）２１２とを有するクライオスタット２１０を含む。超電導磁石システム２００は更に、内側容器２１２に低温流体（例えば液体ヘリウム）を入れるための通気口２１５を含み、この通気口２１５を通り、蒸発したヘリウムガスが内側容器２１２からクライオスタット２１０の外側へと放出される。超電導磁石システム２００は更に、内側容器２１２内のヘリウムガスを再凝縮するためにコンプレッサ２７０によって駆動されるコールドヘッド２６０を含む。有利には、コールドヘッド２６０は、図３に関連して以下により詳細に説明されるように、２段コールドヘッドである。図２には示されていないが、超電導磁石システム２００は更に、通気口２１５に関連付けられ、第１の熱遮断体２１３及び第２の熱遮断体２１４に熱的に取り付けられる又は結合される熱交換器を含む。以下により詳細に更に説明されるように、第２の熱遮断体２１４は、コールドヘッド２６０に熱的に結合されていない「浮遊」熱遮断体である。超電導磁石システム２００の上記要素の構成の上記及び他の重要な詳細については、図３に関連して以下に詳細に説明される。
【００３９】
超電導磁石システム２００は更に、クライオスタット２１０の液体ヘリウム容器２１２内の低温流体（例えば液体ヘリウム）内に配置される１つ以上の導電性コイル２３０及び永久電流スイッチ２４０と、クライオスタット２１０の外側（外部）に配置される電源２５０とを含む。超電導磁石システム２００は更に、超電導磁石システム２００の様々な動作を制御する磁石コントローラ２８０を含む。
【００４０】
超電導磁石システム２００は更に、第１及び第２の導電性リード線２０１、２０２と、第３及び第４の導電性リード線２０３、２０４とを含む。ここでは、第１及び第３の導電性リード線２０１、２０３が通気口２１５に通される。しかし、超電導磁石システム２００の他の変形態様では、第１及び第３の導電性リード線２０１、２０３は、外側シェル２１１及び内側容器２１２の別のアクセス開口を通されてもよい。
【００４１】
第１及び第２の導電性リード線２０１、２０２は、電気接点２０５において互いに接続され、第３及び第４の導電性リード線２０３、２０４は、電気接点２０６において互いに接続される。第１及び第３の導電性リード線２０１、２０３は、電源２５０に接続される。第１の導電性リード線２０１及び／又は第３の導電性リード線２０３は、スイッチ（図示せず）を介して電源２５０に接続されてもよい。第２及び第４の導電性リード線２０２、２０４は、導電性コイル２３０の両端に接続される。超電導磁石システム２００の幾つかのバージョンでは、第１及び第３の導電性リード線２０１、２０３は、導電性コイル２３０が超電導状態となり、永久電流スイッチ２４０が作動すると、クライオスタット２１０の外側シェル２１１から引き込み可能であってよい。幾つかの変形態様では、第１及び第２の導電性リード線２０１、２０２は、１つの導電性リードに置換され、第３及び第４の導電性リード線２０３、２０４も、別の１つの導電性リードに置換され、電気接点２０５、２０６は省略されてもよい。
【００４２】
有利には、超電導磁石システム２００は、ヘリウム槽型システムである。幾つかの実施形態では、内側容器２１２は、一般的なヘリウム槽型システムにおけるヘリウムボリュームに比べて比較的少ない量の低温流体、例えば５０〜１００リットル（以下）の液体ヘリウムを含む。
【００４３】
永久電流スイッチ２４０は、内側容器２１２内に配置され、小型ヒーターに取り付けられる第２及び第４の導電性リード線２０２、２０４を介して導電性コール２３０の両端間に接続される１片の超電導体ワイヤを含む。
【００４４】
超電導磁石システム２００は様々な場所の温度、低温流体（例えば液体ヘリウム）のレベル、コンプレッサ２７０といったコンポーネントが正常に動作しているかどうか、例えば停電によって給電が止まっていないかどうか等、様々な動作パラメータを測定する１つ以上のセンサ（図２には図示せず）を有する。各センサは、磁石コントローラ２８０に接続され、対応するセンサ信号を磁石コントローラ２８０に供給する。
【００４５】
磁石コントローラ２８０は、プロセッサ及びメモリ（不揮発性メモリ及び揮発性メモリを含む）を含む。不揮発性メモリは、プロセッサに超電導磁石システム２００の動作を制御する１つ以上のアルゴリズムを実行させるプログラミングコード又は命令（ソフトウェア）を保存する。
【００４６】
上記されたように、超電導磁石システム２００の幾つかのバージョンでは、第１及び第３の導電性リード線２０１、２０３は、それぞれ、引き込み可能であってよい。この場合、超電導磁石システム２００の起動動作中に、引き込み式リード線２０１、２０３が内側容器２１２内に挿入され、永久電流スイッチ２４０内のワイヤがその遷移温度を上回るように加熱され、これにより、ワイヤは抵抗を持つようになる。幾つかの実施形態では、第１及び第３の導電性リード線２０１、２０３は、それぞれ、各電気接点２０５、２０６内に設けられたソケット内に受容及び結合される突出ピンをその端部に有する。
【００４７】
導電性コイル２３０は、最初は、導電性コイル２３０に電流を流す外部電源２５０によって電圧印加される。永久電流スイッチ２４０内のワイヤは、起動動作中に加熱されるので、その抵抗は、導電性コイル２３０の抵抗よりも大幅に大きい。したがって、外部電源からの電流は導電性コイル２３０を流れる。
【００４８】
永久モードでの動作に移行するために、導電性コイル２３０を流れる電流は、所望の磁場が得られるまで調整され、その後、永久電流スイッチ２４０内のヒーターがオフにされる。ヒーターがオフにされた後、永久電流スイッチ２４０内の超電導体ワイヤは、その超電導温度まで冷め、上記されたようにこれも超電導である導電性コイル２３０を短絡させる。電源内の電流は減少され、リード線２０１、２０３は、内側容器２１２から引き込まれる。
【００４９】
図３は、クライオスタット３００の第１の例示的な実施形態の一部とコールドヘッド２６０とを示す。具体的には、クライオスタット３００は、超電導磁石システム２００のクライオスタット２１０の一実施形態である。当然ながら、一般的に、クライオスタット３００は、図３に示されていない他のコンポーネントを多く含んでいる。幾つかのコンポーネントは、説明を明瞭とし、以下に説明される本発明の態様を曖昧にしないために、図３から省略されている。
【００５０】
クライオスタット３００は、外側シェル２１１と、すべて外側シェル２１１内に配置される第１の熱遮断体２１３と、第２の熱遮断体２１４と、内側容器２１２とを含む。クライオスタット３００は更に、通気口２１５と、第１及び第２の熱交換器３０２ａ、３０２ｂとを含む。
【００５１】
コールドヘッド２６０は、２段コールドヘッドであり、外側シェル２１１内に配置され、第１の温度（例えば約３５°Ｋ乃至約８５°Ｋの範囲内の温度）までの冷却を提供する第１の冷却段２６１と、外側シェル２１１内に配置され、内側容器２１２内の低温流体に接触し、低温流体を第１の温度未満であって、低温流体を液体状態（例えば液体ヘリウム）に維持するように低温ガス（例えばヘリウムガス）を凝縮するのに十分に冷たい第２の温度（約４．２°Ｋ）まで冷却する第２の冷却段２６２とを含む。有利には、コールドヘッド２６０は、例えば外側シェル２１１に溶接されることによって、クライオスタット３００の外側シェル２１１に固定される。
【００５２】
図３から分かるように、第１の熱遮断体２１３は、内側容器２１２と外側シェル２１１との間に配置されている。具体的には、第１の熱遮断体２１３は、第２の熱遮断体２１４と外側シェル２１１との間に配置され、第２の熱遮断体２１４は、内側容器２１２と第１の熱遮断体２１３との間に配置されている。第１の真空空間３１１が第１の熱遮断体２１３と外側シェル２１１との間に画定され、第２の真空空間３１３が、第１の熱遮断体２１３と第２の熱遮断体２１４との間に画定され、第３の真空空間が、第２の熱遮断体２１４と内側容器２１２との間に画定される。したがって、第１の熱遮断体２１３及び第２の熱遮断体２１４は、互いから且つ内側容器２１２及び外側シェル２１１から熱的に分離されている。
【００５３】
第１の熱遮断体２１３は、例えば高熱伝導性接続部３１０によってコールドヘッド２６０の第１の冷却段２６１に熱的に接続され、また、例えば別の高熱伝導性接続部３１０によって第１の熱交換器３０２ａにも熱的に接続される。ここでは、高熱伝導性接続部３１０は、剛性でも弾性でも良く、幾つかのバージョンでは、例えばアルミニウム又は銅製ストラップである金属製接続部を含む。幾つかの実施形態では、高熱伝導性接続部３１０は、クライオスタット３００の動作温度において、＞０．５Ｗ／°Ｋの熱伝導率を有する。第２の熱遮断体２１４は、例えば別の高熱伝導性接続部３１０によって第１の熱交換器３０２ａに熱的に接続される。しかし、第２の熱遮断体２１４は、コールドヘッド２６０から熱的に分離され、したがって、「浮遊遮断体」とも呼ばれる。したがって、第２の熱遮断体２１４への熱負荷は、コールドヘッド２６０の第１の段２６１に熱的に接続されている第１の熱遮断体２１３に比べ、大幅に減少される。したがって、（例えば電力損失によって、又は、クライオスタット３００の輸送中に）コールドヘッド２６０による冷凍がなくても、通気口２１５から漏れる冷たいヘリウムガスが、第２の熱遮断体２１４を、第２の熱交換器３０２ｂを介して、かなり冷たい温度まで冷却し、したがって、ヘリウム損失率が大幅に減少される。
【００５４】
クライオスタット３００の幾つかのバージョンでは、第１及び第２の熱遮断体２１３、２１４は、それぞれ、アルミニウム合金、又は、高い側方熱伝導率と、超電導磁石のクエンチ時に生じる可能性のある力に抵抗するのに十分な機械的強度、即ち、剛性とを提供できる他の材料を含む。
【００５５】
構造的に、内側容器２１２は、内側容器２１２と外側シェル２１１とを互いに物理的に接続する１つ以上の第１の熱分離（即ち、低熱伝導性）支持要素３２０を用いて外側シェル２１１によって支えられる。この実施形態では、第２の熱遮断体２１４は、第１の熱分離支持要素３２０のうちの１つ以上に機械的に固定又は取り付けられ、第１の熱遮断体２１３は、第１の熱遮断体２１３と第２の熱遮断体２１４とを互いに物理的に接続する１つ以上の第２の熱分離支持要素３３０を介して、第２の熱遮断体２１４によって支持される。有利には、第１の熱遮断体２１３及び第２の熱遮断体２１４も、例えば１つ以上の高熱伝導性接続部３１０を介して、第１の熱分離支持要素３２０のうちの１つ以上に熱的に結合又は取り付けられる。
【００５６】
有利には、第１の熱分離支持要素３２０及び／又は第２の熱分離支持要素３３０は、それぞれ、クライオスタット３００の動作温度において＜０．０４Ｗ／°Ｋの熱伝導率を有する。幾つかのバージョンでは、第１の熱分離支持要素３２０及び／又は第２の熱分離支持要素３３０は、ケブラ（Kevlar）、ｓガラス／エポキシ、Ｇ−１０、カーボンファイバ／エポキシ、アルミナ又は他の適切な低熱伝導性材料及び極低温度において十分な機械的強度材料、例えば０．３Ｗ／ｍ・°Ｋ未満の熱伝導率を有する材料で作られている。
【００５７】
図３に示されるもの以外の内側容器２１２、第１の熱遮断体２１３及び第２の熱遮断体２１４を構造的に支持する他の構成も考えられる。
【００５８】
例えば図４は、クライオスタット４００の第２の例示的な実施形態の一部と、コールドヘッド２６０とを示す。クライオスタット４００は、クライオスタット３００と同様であるため、それらの相違点のみが説明される。具体的には、クライオスタット４００では、第１の熱遮断体２１３は、第１の熱分離支持要素３２０のうちの１つ以上に機械的に固定又は取り付けられ、第２の熱遮断体２１４は、第１の熱遮断体２１３と第２の熱遮断体２１４とを互いに物理的に接続する１つ以上の第２の熱分離支持要素３３０を介して、第１の熱遮断体２１３によって支持される。クライオスタット３００にあるように、クライオスタット４００では、第１の熱遮断体２１３及び第２の熱遮断体２１４も、例えば１つ以上の高熱伝導性接続部３１０を介して、第１の熱分離支持要素３２０のうちの１つ以上に熱的に結合又は取り付けられる。
【００５９】
図５は、クライオスタット５００の第３の例示的な実施形態の一部と、コールドヘッド２６０とを示す。クライオスタット５００は、クライオスタット４００と同様であるため、それらの相違点のみが説明される。具体的には、クライオスタット５００では、第１の熱遮断体２１３は、第１の熱分離支持要素３２０のうちの１つ以上に機械的に固定又は取り付けられ、第２の熱遮断体２１４は、内側容器２１２と第２の熱遮断体２１４とを互いに物理的に接続する１つ以上の第２の熱分離支持要素３３０を介して、内側容器２１２によって支持される。クライオスタット３００及び４００にあるように、クライオスタット５００では、第１の熱遮断体２１３及び第２の熱遮断体２１４も、例えば１つ以上の高熱伝導性接続部３１０を介して、第１の熱分離支持要素３２０のうちの１つ以上に熱的に結合又は取り付けられる。
【００６０】
図３乃至図５に示されるもの以外の内側容器２１２、第１の熱遮断体２１３及び第２の熱遮断体２１４を構造的に支持する他の構成も考えられる。例えば幾つかの実施形態は、図３のクライオスタット３００の支持構造において、少なくとも１つの第１の熱分離支持要素が内側容器と第２の熱遮断体とを互いに物理的に接続し、少なくとも１つの第２の熱分離支持要素が第１の熱遮断体と第２の熱遮断体とを互いに物理的に接続し、少なくとも１つの第３の熱分離支持要素が第２の熱遮断体と外側シェルとを互いに物理的に接続するという改良点を含む。
【００６１】
本明細書において好適な実施形態が開示されたが、本発明の概念及び範囲内である多くの変形態様が可能である。例えば実施形態は、ヘリウム槽型システムのコンテキストで説明されている。しかし、他の実施形態では、本明細書に開示される原理が「クライオフリー（cryofree）」、即ち、密閉システムで使用されるように適応されることが可能である。このような変形態様は、本明細書、図面及び請求項を検討した後の当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、添付の請求項の範囲以外、制限されるものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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