(57)【要約】【課題】超伝導磁石におけるクエンチ事象の際の損傷を防止するための装置及び方法を提供する。【解決手段】超伝導磁石装置は、超伝導コイル（Ｃ１−）と、前記コイル（Ｃ１−）に並列に電気結合された受動性クエンチ保護回路（１３０）とを有する。前記回路（１３０）は、直列に接続されたヒータ（２１０）及び電流制限器（２２０）を含む。前記ヒータ（２１０）は前記コイル（Ｃ１−）に熱結合されており、且つ前記電流制限器（２２０）は、前記回路（１３０）を通る電流を、前記ヒータ（２１０）の電流定格よりも低い電流値で阻止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの超伝導コイル（Ｃ１−，Ｃ１＋，．．．，Ｃ４＋）と、
前記少なくとも１つのコイル（Ｃ１−，Ｃ１＋，．．．，Ｃ４＋）に並列に電気結合された受動性クエンチ保護回路（１３０）であって、直列に接続された少なくとも１つのヒータ（２１０）及び少なくとも１つの電流制限器（２２０）を含む受動性クエンチ保護回路（１３０）とを有し、
前記ヒータ（２１０）が前記少なくとも１つのコイル（Ｃ１−，Ｃ１＋，．．．，Ｃ４＋）に熱結合されており、且つ前記電流制限器（２２０）が、前記回路（１３０）を通る電流を、前記ヒータ（２１０）の電流定格よりも低い電流で阻止すること、
を特徴とする超伝導磁石装置（１００）。
【請求項２】
少なくとも１つの超伝導コイル（Ｃ１−，Ｃ１＋，．．．，Ｃ４＋）に電気接続するのに適合した受動性クエンチ保護回路（１３０）であって、
当該回路は、直列に接続された少なくとも１つのヒータ（２１０）及び少なくとも１つの電流制限器（２２０）を有しており、
前記ヒータ（２１０）は前記少なくとも１つの超伝導コイル（Ｃ１−，Ｃ１＋，．．．，Ｃ４＋）に熱結合されるように構成されており、
前記電流制限器（２２０）は、当該回路（１３０）を通る電流を、前記ヒータ（２１０）の電流定格よりも低い電流で阻止し、また
当該回路（１３０）が少なくとも１つの超伝導コイル（Ｃ１−，Ｃ１＋，．．．，Ｃ４＋）に並列に電気結合されること、
を特徴とする受動性クエンチ保護回路（１３０）。
【請求項３】
超伝導コイル（Ｃ１−，Ｃ１＋，．．．，Ｃ４＋）をクエンチする方法であって、
少なくとも１つのヒータ（２１０）及び少なくとも１つの電流制限器（２２０）を含むクエンチ保護回路（１３０）を、少なくとも一群の超伝導コイル（Ｃ１−，Ｃ１＋，．．．，Ｃ４＋）に並列に結合する段階であって、各群が１つ以上の超伝導コイル（Ｃ１−，Ｃ１＋，．．．，Ｃ４＋）を持っている、前記段階と、
前記超伝導コイル（Ｃ１−，Ｃ１＋，．．．，Ｃ４＋）の両端間の増大するクエンチ電圧によって引き起こされるクエンチ事象をトリガする段階と、
クエンチ事象時に前記ヒータ（２１０）に給電して、ヒータ（２１０）領域において前記超伝導コイル（Ｃ１−，Ｃ１＋，．．．，Ｃ４＋）を常伝導状態にする段階と、
前記ヒータ（２１０）の電流を、前記ヒータの電流定格よりも低い電流値に制限する段階と、
を有する方法。
【請求項４】
前記電流制限器（２２０）は前記装置（１００）の外部に配置されている、請求項１記載の装置（１００）。
【請求項５】
更に、前記電流制限器（２２０）に直列に接続された少なくとも１つの電圧阻止器（２３０）を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置（１００）、回路（１３０）又は方法。
【請求項６】
前記電圧阻止器（２３０）は背中合わせのツェナーダイオード（３２０）を含んでいる、請求項４記載の装置（１００）、回路（１３０）又は方法。
【請求項７】
前記電圧阻止器（２３０）は、ＭＯＳＦＥＴ（５１０）と、分圧器と、それらの間の比較回路（５２０）とを含んでいる、請求項４記載の装置（１００）、回路（１３０）又は方法。
【請求項８】
前記電流制限器（２２０）は正温度係数（ＰＴＣ）抵抗（３１０）を含んでいる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置（１００）、回路（１３０）又は方法。
【請求項９】
前記電流制限器（２２０）はヒューズ（４１０）を含んでいる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置（１００）、回路（１３０）又は方法。
【請求項１０】
前記電流制限器（２２０）は自動トリガ型回路遮断器を含んでいる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置（１００）、回路（１３０）又は方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本書で開示する内容は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）超伝導磁石などのような超伝導磁石のための受動性クエンチ保護回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超伝導磁石は、それが適切に低い温度に維持されている限り、実効的にゼロの抵抗で電気を導くことができる。しかしながら、熱擾乱がある場合、磁石は常伝導状態になり（もはや超伝導状態ではなくなり）、抵抗を生じて電流を減少させ、もって蓄積された磁気エネルギをＩ２  Ｒ熱損失により熱へ急速に変換する。これはクエンチとして知られている非可逆的動作であり、これは磁石を損傷することのある望ましくない熱及び電圧を惹起する虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６１４７８４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、クエンチ事象の際に損傷を防止する新規な装置及び方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明はその実施形態として、受動性クエンチ保護システム及び該システムを取り入れた超伝導磁石装置を提供する。
【０００６】
一実施形態では、受動性クエンチ保護システムは、少なくとも１つの超伝導コイルに電気接続するように構成される。その回路は、直列に接続されたヒータ及び電流制限器を有する。ヒータは前記超伝導コイルの少なくとも１つに熱結合するように構成される。電流制限器は、回路を通る電流を、ヒータの電流定格よりも低い電流で阻止する。
【０００７】
別の実施形態では、超伝導磁石装置は、少なくとも１つの超伝導コイルと、前記コイルの少なくとも１つに並列に電気結合された受動性クエンチ保護回路とを有する。該回路は、直列に接続されたヒータ及び電流制限器を含む。前記ヒータは前記コイルの少なくとも１つに熱結合され、また前記電流制限器は、回路を通る電流を、ヒータの電流定格よりも低い電流で阻止する。
【０００８】
従って、クエンチ保護回路は、ヒータに対する損傷を防止しながら、超伝導コイルの最適なクエンチ保護を行うことができる。
【０００９】
本発明の様々な実施形態（これらは限定するものではなく、また全てを表したものでもない）を添付の図面を参照して以下に説明する。図面では、特に明記していない限り、同様な部品は同様な参照符号で表す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に従った超伝導磁石装置を例示する回路図である。
【図２】図２は、図１のクエンチ保護回路の回路図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に従ったクエンチ保護回路の回路図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に従ったクエンチ保護回路の回路図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に従ったクエンチ保護回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の説明は当業者が本発明を実施することができるように記述し、且つ特定の用途及びその必要条件に関連して述べる。本発明の様々な実施形態は当業者には直ぐに明きらかであろう。また本書で開示した原理は、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに他の実施形態及び用途に適用することができる。従って、本発明は、図示の実施形態に制限されるものではなく、本書で開示した原理、特徴及び教示と矛盾しない最も広い範囲を有するものとする。
【００１２】
超伝導磁石装置の様々な実施形態では、少なくとも１つの電気ヒータ及び少なくとも１つの電流制限器を有するクエンチ保護回路を設ける。一実施形態では、クエンチ保護回路はまた、少なくとも１つの電圧阻止器／フィルタを含む。これらの３つの要素は直列に接続され、次いで適切にグループ分けされた超伝導コイル又は超伝導コイル群と並列に接続される。ヒータが、これらの超伝導コイルの内の１つ以上と熱結合される。一旦クエンチ事象が生じると、超伝導コイル両端間のクエンチ電圧が増大してヒータに電力を供給し、これによりヒータが発熱して、ヒータ領域において超伝導コイルを常伝導状態にし、その結果、磁石の周りのエネルギを分散させて、磁石に対する損傷を防止する。電流制限器は過電流保護を行って、最大ヒータ電流を制限する。すなわち、電流制限器は、ヒータの電流定格よりも低い電流定格を持つ。電圧阻止器は、コイル電圧が予め設定された閾値電圧よりも低いとき、不所望の電流がクエンチ保護回路を通って流れるのを防止する。閾値電圧は、ランプ(ramp)電圧及び磁石の正常動作中の超伝導コイル両端間の最大電圧よりも大きく、クエンチ保護回路に流れる不所望な電流を低減又は除去する。
【００１３】
一実施形態では、電流制限器は、高速作動温度ヒューズ及び／又は正温度係数（ＰＴＣ）抵抗を含むことができる。ヒューズは、ヒータの電流定格よりも低い或る特定の電流レベルで溶断することができる。ＰＴＣヒータの電気抵抗値はその温度に依存する。抵抗値は、一旦その温度がその保護温度を越えて上昇すると、急激に増大する。ヒータ回路の電流はコイル・クエンチ電圧が増大していると増大するので、ＰＴＣ抵抗の温度を上昇させ、これにより、ＰＴＣ抵抗の抵抗値が、ヒータ電流を制限するように増大する。ヒューズ又はＰＴＣ抵抗は、クエンチ後に必要なら点検し且つ交換し易いように、磁石の外部に配置することができる。
【００１４】
一実施形態では、磁石のランプ中や磁石の正常動作中にヒータ回路内の不所望な電流を除くために、電圧阻止器がヒータと直列に接続される。電圧阻止器は、一対の背中合わせに直列接続されたツェナーダイオード、又は金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含むことができる。ツェナーダイオードの逆方向降伏電圧は、磁石の正常動作中の最大電圧よりも高く、且つまた磁石のクエンチの際にヒータが動作するのに充分な低さであるように選択又は制御される。ダイオード又はＭＯＳＦＥＴは磁石の内部又は外部のいずれかに配置することができる。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に従った超伝導磁石装置１００を例示する回路図である。装置１００は２組の超伝導コイルを有する。第１の組１０２は、直列に接続されたコイルＣ１−、Ｃ１＋、Ｃ２−、Ｃ２＋、Ｃ３−及びＣ３＋を含む。第２の組１０４は直列に超伝導コイルＣ４−及びＣ４＋を有する。別の実施形態では、装置１００は超伝導コイルの追加の組を含むことができる。更に、超伝導コイルの各組１０２，１０４は、それぞれより多くの又はより少ない数のコイルを含むことができる。
【００１６】
コイルの組１０２及び１０４には並列にランプ・スイッチ１１０が接続されており、該スイッチは、最初は或る抵抗値を維持し、従って電源装置（図示せず）から電流をコイル１０２及び１０４に供給させ、その後、コイルの組が完全に付勢されたとき、コイルの組との閉回路を維持する。装置１００はまた磁石ランダウン(rundown) 装置（ＭＲＵ）１２０を含み、これは、一実施形態では、クエンチ保護回路１３０のクエンチ・ヒータ２１０（図２）に結合される。一実施形態では、ＭＲＵ１２０は他のクエンチ・ヒータ（図示せず）に結合される。ＭＲＵ１２０は、或る特定の緊急事態ではコイルの組１０２及び１０４を手動でクエンチすることができる。ＭＲＵ１２０はクエンチ・ヒータ２１０に電流を印加して、強制的にコイルの組をクエンチさせて、磁気エネルギを失わせる。
【００１７】
コイルの組１０２及び１０４に並列に受動性クエンチ保護回路１３０が接続される。コイルの各組１０２，１０４は、端子ＡとＢとの間に接続された少なくとも１つのクエンチ保護回路１３０、並びに端子ＢとＣとの間に接続された少なくとも１つのクエンチ保護回路１３０として図示するように、並列に接続された１つ以上のクエンチ保護回路１３０を持つことができる。前に述べたように、追加の超伝導コイルの組（図示せず）を対応するクエンチ保護回路と共に設けることができる。更に、必ずしもコイルの各組がクエンチ保護回路１３０を持つ必要はない。クエンチ保護回路１３０は、（後で図２、３、４及び５を参照して更に詳しく説明するが）、クエンチ事象の際にエネルギをより均一に分散させるようにコイル一組の中の複数のコイルの間で及び／又はコイルの複数の組の間で常伝導領域を拡大させ、これにより、局部領域を過熱することによっていずれかのコイルに損傷を与えることを防止する。
【００１８】
図１及び２について説明すると、装置１００の動作中、ランプ・スイッチ１１０は、或る抵抗値を維持して、これにより電源装置（図示せず）から電流をコイル１０２，１０４に供給させ、その後、一旦コイルの組が完全に付勢されると、閉回路を維持する。コイル１０２及び１０４が超伝導状態にあるとき、電流は連続的にコイルに流れ続け、これによってイメージングのために用いられる磁界を維持する。磁石コイルの摩擦を生じる動きなどからクエンチが生じる場合又は生じるとき、コイル・ワイヤの加熱された部分が常伝導状態の抵抗値により加熱される。或る１つの超伝導コイルがクエンチした後、クエンチ保護回路１３０はそれぞれの超伝導コイルの組の両端間の電圧を監視する。この電圧は２つの成分、すなわち、コイルの常伝導域抵抗値Ｒに起因した抵抗電圧（Ｉ＊Ｒ）と、電流減少（ｄｉ／ｄｔ）に起因した誘導電圧（Ｌｄｉ／ｄｔ）とで構成される。その合計電圧が電圧阻止器２３０（図２）の閾値を超えた場合、クエンチ・ヒータ２１０が加熱を開始して、クエンチを拡大させる。次いで、ヒータ２１０はコイル（１つ又は複数）の他の部分又はコイルの組へ熱によりエネルギをより均一に分布させ、これによって、コイルを損傷する可能性のある局部的な熱の蓄積を防止する。これは、従来の回路に比べて望ましい改善である。クエンチ・ヒータ２１０は、典型的には、コイル（１つ又は複数）を約５０〜約２００ミリ秒以内にクエンチする。
【００１９】
再び、図１のクエンチ保護回路１３０の回路図を例示する図２について説明する。回路１３０は、１つ以上の電流制限器２２０と直列に結合された１つ以上のクエンチ・ヒータ２１０と、随意選択により１つ以上の電圧フィルタ／阻止器２３０とを有する。クエンチ・ヒータ２１０は、超伝導コイルに熱結合されるか又は超伝導コイルに物理的に組み込まれる。電流制限器２２０は、回路１３０を通って流れることのできる電流の量を制限する非線形抵抗を持ち、これによって過剰な電流／過熱によるヒータ２１０の損傷を防止する。電流制限器２２０は、超伝導磁石装置１００の磁石真空容器の内部又は外部の位置に配置することができる。電流制限器２２０は、回路１３０を通る電流を、ヒータ２１０の電流定格よりも低い電流で阻止する。本書で述べる実施形態では、電流制限器２２０は、１つ以上の正温度係数（ＰＴＣ）抵抗３１０（図３）、ヒューズ４１０（図４）、自動トリガ型回路遮断器又は他の装置、或いはそれら組合せを含むことができる。電流制限器２２０は、典型的には、高価でなく、使用し易く、且つ装置１００の外部に配置したとき交換し易い。
【００２０】
電圧阻止器／フィルタ２３０は、超伝導磁石装置１００の磁石真空容器の内部又は外部の位置に配置することができる。電圧阻止器／フィルタ２３０は電圧の逆方向保護を提供し、且つ超伝導コイルの勾配誘起電圧ノイズを除去する。本書で述べる実施形態では、電圧阻止器／フィルタ２３０は、逆並列接続の電力ダイオード、直列に結合された１つ以上の背中合わせのツェナーダイオード３２０（図３）、比較回路５２０（図５）を備えた金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）５１０（図５）、又はそれらの組合せを含むことができる。
【００２１】
装置１００のクエンチ動作中、クエンチ・ヒータ２１０は前に述べたように熱を分布させる。電流制限器２２０は、ヒータ２１０を通って流れることのできる電流を制限し、その結果として、ヒータが過熱すること及び過電流により故障することを防止する。電圧阻止器２３０は、電流制限器２２０を介してヒータ２１０へ流れる電流を阻止し及び／又は濾波する。
【００２２】
図３は、別の実施形態に従ったクエンチ保護回路３００の回路図である。クエンチ保護回路３００は、１つ以上のＰＴＣ抵抗３１０と直列に結合された１つ以上のクエンチ・ヒータ２１０、及び直列に結合された１つ以上の背中合わせのツェナーダイオード３２０を含む。ＰＴＣ抵抗３１０は電流制限器として作用し、ヒータ２１０の最大電流を制限する。ＰＴＣ抵抗３１０の抵抗値は、その温度が過負荷電流に起因してそのキュリー温度Ｔｃよりも高くなったときに、指数的に増大する。結果として、ＰＴＣ抵抗３１０を通る最大電流が制限される。一例によれば、抵抗値は、Ｔｃより低いときの約１０オームからＴｃより高いときの１０７  オームまで変化し、約２０℃から約１００℃までに抵抗値は指数関数的に増大する。実例として、４オームのＰＴＣ抵抗が、直流５０Ｖの電圧下で約０．１５〜約０．２秒以内に過電流に反応して、クエンチ・ヒータ２１０を保護する。ツェナーダイオード３２０は、コイル内の勾配誘起電圧ノイズを濾波除去して、一実施形態では約１０Ｖから約５０Ｖまでの範囲にわたって逆方向電圧保護を行う。
【００２３】
クエンチ事象の際、ＰＴＣ抵抗３１０は、電流がクエンチ・ヒータ２１０を介して該抵抗に流れるにつれて発熱し、この結果、ＰＴＣ抵抗３１０の温度が増大する。クエンチ・ヒータ２１０もまた、ＰＴＣ抵抗３１０の温度を増大させることができる。温度が上昇したとき、ＰＴＣ抵抗３１０は高い抵抗値により電流の通過を阻止して、クエンチ・ヒータ２１０に損傷が生じるのを防止する。
【００２４】
図４は、また別の実施形態に従ったクエンチ保護回路４００の回路図である。クエンチ保護回路４００は、１つ以上のヒューズ４１０及び１つ以上の背中合わせのツェナーダイオード３２０と直列に結合された１つ以上のクエンチ・ヒータ２１０を含む。ヒューズ４１０は過電流による損傷からヒータ２１０を保護する。一面では、過電流状態の際、ヒューズ４１０は約０．１〜０．３秒で溶断する。ヒューズ４１０は、溶断した場合に容易に交換することができるように、装置１００の外部に配置することができる。一例では、ヒューズ４１０としては、４アンペアの正常電流を持つリテルヒューズ(LITTELFUSE)０２１６．００４高速作動ヒューズが挙げられる。
【００２５】
クエンチ事象の際、電流がクエンチ・ヒータ２１０を通ってヒューズ４１０へ流れる。一旦電流がヒューズ４１０の許容値を超えると、ヒューズ４１０は溶断し、これによって電流がクエンチ回路４００に入るのを阻止して、クエンチ・ヒータ２１０に対する損傷を防止する。
【００２６】
図５は、更に別の実施形態に従ったクエンチ保護回路５００の回路図である。クエンチ保護回路５００は、１つ以上の電流制限器２２０及び１つ以上のＭＯＳＦＥＴ５１０と直列に結合された１つ以上のクエンチ・ヒータ２１０を含む。更に、抵抗Ｒ１及びＲ２がＭＯＳＦＥＴ５１０と並列の枝路に沿って配置されて、ＭＯＳＦＥＴのゲートに結合される抵抗分圧器回路網を形成する。Ｒ１／Ｒ２抵抗分圧器とＭＯＳＦＥＴ５１０との間には比較回路５２０が結合される。ＭＯＳＦＥＴ５１０は不必要な導通電流を濾波除去し且つバイポーラ方向のヒータ電流を遮断する。Ｒ１及びＲ２は分圧器の抵抗であり、この分圧器は、ＭＯＳＦＥＴ５１０の動作点を調節するために用いられる。
【００２７】
クエンチ電圧は正又は負のいずれかであり得るので、ＭＯＳＦＥＴ５１０はバイポーラ方向のヒータ電流を導通し又は遮断する。分圧器とＭＯＳＦＥＴ５１０との間に追加の詳細な比較回路が必要とされる。分圧器のインピーダンスは、この枝路における不必要な電流を抑制するために非常に高く（メガ・オーム以上に）すべきである。
【００２８】
本明細書は、最良の実施形態を含めて、本発明を開示するために、また当業者が任意の装置又はシステムを作成し使用し、任意の採用した方法を遂行すること含めて、本発明を実施することができるようにするために、幾つかの例を使用した。本発明の特許可能な範囲は「特許請求の範囲」の記載に定めており、また当業者に考えられる他の例を含み得る。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの記載から実質的に差異のない構造的要素を持つ場合、或いはそれらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から実質的に差異のない等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００２９】
１００  超伝導磁石装置 
１１０  ランプ・スイッチ
１２０  磁石ランダウン装置（ＭＲＵ)
１３０  クエンチ保護回路
Ｃ１−、Ｃ１＋、Ｃ２−、Ｃ２＋、Ｃ３−、Ｃ３＋  第１の組の超伝導コイル
Ｃ４−、Ｃ４  第２の組の超伝導コイル
２１０  クエンチ・ヒータ
２２０  電流制限器
２３０  電圧阻止器
３００  クエンチ保護回路
３１０  ＰＴＣ抵抗
３２０  背中合わせのツェナーダイオード
４００  クエンチ保護回路
４１０  ヒューズ
５００  クエンチ保護回路
５１０  ＭＯＳＦＥＴ
５２０  比較回路
Ｒ１  抵抗
Ｒ２  抵抗
【図１】
2011071515.tif 000003
【図２】
2011071515.tif 000004
【図３】
2011071515.tif 000005
【図４】
2011071515.tif 000006
【図５】
2011071515.tif 000007