(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗動作モードと超電導動作モードとの間で切り換わるスイッチであって、
巻線が周りに位置付けられるボビンを収容するハウジングと、
前記巻線と前記ボビンとを含む巻線組立体で冷却する冷媒を含む内部冷却キャビティと、
外部冷媒貯槽と、
前記内部冷却キャビティと前記外部冷媒貯槽との間の冷媒流を許容する１つ又はそれよりも多くの小さい孔を備えるバッフルとを含み、
前記１つ又はそれよりも多くの小さい孔の上限及び下限は、前記抵抗動作モード及び前記超電導動作モードの間に超電導磁石冷却システムの通常動作圧力での液体冷媒中のガス状冷媒の気泡サイズと釣り合うサイズであり、
前記１つ又はそれよりも多くの小さい孔の上限は、前記抵抗動作モードの間に生成されるガスが漏れるのを可能にすると同時に、前記外部冷媒貯槽からの再充填を妨げるよう選択され、
前記１つ又はそれよりも多くの小さい孔の下限は、前記超電導動作モードの間に生成されるガスが漏れるのを可能にすると同時に、前記外部冷媒貯槽からの再充填を可能にするよう選択され、
前記１つ又はそれよりも多くの小さい孔は、０．１ｍｍ〜１ｍｍの直径を有し、
前記内部冷却キャビティは、前記ハウジングの内表面と、前記巻線及び前記ボビンのうちの少なくとも一方の冷却表面との間に環状のリングを形成し、第一端部で、前記ハウジングを前記ボビンに結合する封止層によって境界付けられ、且つ、第二端部で、前記バッフルによって輪郭が描かれる、
スイッチ。
【請求項２】
前記内部冷却キャビティは、前記ハウジングの内表面と、前記巻線及び前記ボビンのうちの少なくとも一方の冷却表面との間に環状リングを形成し、両端部で前記バッフルによって境界付けられる、請求項１に記載のスイッチ。
【請求項３】
当該スイッチに結合される加熱器を更に含み、前記巻線を過熱させ且つ前記内部冷却キャビティ内で前記冷媒を気化させ、それによって、当該スイッチを超電導モードから出て抵抗モードに入らせるために、電流が前記加熱器に適用される、請求項１又は２に記載のスイッチ。
【請求項４】
当該スイッチ及び前記加熱器に供給される電圧及び電流のうちの少なくとも一方は、前記外部冷媒貯槽からの前記液体冷媒による前記キャビティの再充填と同時に、前記内部冷却キャビティ内の前記冷媒を液体状態に液化させるよう減少させられ、それによって、当該スイッチを抵抗モードから出して超電導モードに入らせるよう実施される、請求項３に記載のスイッチ。
【請求項５】
磁気画像装置内の少なくとも１つの磁石を荷電又は放電させるよう、前記磁気画像装置内で利用される、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載のスイッチ。
【請求項６】
前記バッフル又は複数のバッフルは、織物材料で形成され、前記１つ又はそれよりも多くの小さい孔は、前記織物材料中の織物繊維の間の空間によって定められる、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載のスイッチ。
【請求項７】
磁気共鳴画像装置内の磁石を作動するための二重モードスイッチを製造する方法であって、該二重モードスイッチは、抵抗動作モードと超電導動作モードとの間で切り換わり、当該方法は、
ボビンについて巻線を形成するよう金属マトリックスにおける超電導ワイヤを前記ボビンの周りに巻回すること、
前記ボビン及び前記巻線を管状ハウジング内に位置付けること、
接続層を用いて前記ボビン及び前記巻線のうちの少なくとも一方の外表面の少なくとも一部を前記ハウジングに固定すること、及び、
バッフルを前記ハウジング及び前記ボビンの少なくとも１つの共通端部に固定することを含み、
内部冷却キャビティが、前記巻線及び前記ボビンの冷却表面、前記ハウジングの内表面、前記接続層、及び、前記バッフルによって定められ、
前記バッフルは、前記内部冷却キャビティと外部冷却貯槽との間の冷媒の流れを許容する１つ又はそれよりも多くの小さい或いは毛管状の孔を含み、
前記接続層は、前記接続層が前記内部冷却キャビティの一端を封止するような方法において、前記ボビンを前記ハウジングに結合させ、
前記１つ又はそれよりも多くの小さい孔は、０．１ｍｍ〜１ｍｍの直径を有する、
方法。
【請求項８】
前記バッフルを前記ハウジング及び前記ボビンの両方の共通端部に固定することを更に含み、前記内部冷却キャビティは、前記巻線及びボビンの冷却表面、前記ハウジングの内表面、及び、前記バッフルによって定められる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
液体冷媒内でガス状態にあるとき、前記冷媒によって形成される気泡の平均直径の２倍の直径を有するよう、１つ又はそれよりも多くの小さい孔を形成することを更に含む、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
０．４ｍｍの直径を有するよう前記１つ又はそれよりも多くの孔を形成することを更に含む、請求項７乃至９のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
超電導磁石のデュワー内に前記スイッチを取り付けることを更に含む、請求項７乃至９のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
超電導動作モードと抵抗動作モードとの間でスイッチを切り換える方法であって、
前記スイッチは、
巻線が周りに位置付けられるボビンを収容するハウジングと、
前記巻線と前記ボビンとを含む巻線組立体で冷却する冷媒を含む内部冷却キャビティと、
外部冷媒貯槽と、
前記内部冷却キャビティと前記外部冷媒貯槽との間の冷媒流を許容する１つ又はそれよりも多くの小さい孔を備えるバッフルとを含み、
当該方法は、
巻線を冷却する液体冷媒の気化を引き起こすのに十分な温度まで前記スイッチ内の前記巻線を加熱することを含み、前記冷媒の前記気化は、前記巻線内の温度及び抵抗の増大を引き起こし、
前記外部冷媒貯槽からの液体冷媒で内部冷却キャビティを再充填するのと同時に、前記冷媒が蒸気状態から液化することを許容するよう、前記巻線に供給される電力及び前記巻線内に生成される電力の少なくとも一方を減少することを含み、
前記巻線への電力を減少することは、液体冷媒がバッフル内の前記１つ又はそれよりも多くの小さい孔を通じて前記外部冷媒貯槽から前記内部冷却キャビティ内に流れることを許容し、前記内部冷却キャビティは、前記巻線に隣接し且つ前記巻線によって１つの側に定められ、
前記１つ又はそれよりも多くの小さい孔の上限及び下限は、前記抵抗動作モード及び前記超電導動作モードの間に前記スイッチの通常動作圧力での前記液体冷媒中のガス状冷媒の気泡サイズと釣り合うサイズであり、
前記１つ又はそれよりも多くの小さい孔の上限は、前記抵抗動作モードの間に生成されるガスが漏れるのを可能にすると同時に、前記外部冷媒貯槽からの再充填を妨げるよう選択され、
前記１つ又はそれよりも多くの小さい孔の下限は、前記超電導動作モードの間に生成されるガスが漏れるのを可能にすると同時に、前記外部冷媒貯槽からの再充填を可能にするよう選択され、
前記１つ又はそれよりも多くの小さい孔は、０．１ｍｍ〜１ｍｍの直径を有し、
前記内部冷却キャビティは、前記ハウジングの内表面と、前記巻線及び前記ボビンのうちの少なくとも一方の冷却表面との間に環状のリングを形成し、第一端部で、前記ハウジングを前記ボビンに結合する封止層によって境界付けられ、且つ、第二端部で、前記バッフルによって輪郭が描かれる、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本革新（イノベーション）は、特に磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）等を含む、医療撮像システムに具体的な用途を見出す。しかしながら、記載される技法は他の撮像システム、他の装置スイッチシナリオ、他のスイッチング装置等にも用途を見出し得る。
【背景技術】
【０００２】
超電導スイッチは、１つの動作モードにおいて安全に超電導状態のままでありながら、他の（抵抗）モードにおいて高い電気抵抗をもたらすことが望ましい。許容される解決策の１つは、スイッチを巻き取るよう、典型的には、通常金属（例えば、銅、アルミニウム、青銅）のマトリックスにおけるワイヤの形態において通常金属成分と結合される超伝導材料の使用を含む。この種類の複合材は、スイッチを通じて流れる電流の制御された荷電中、超電導状態で比較的安定する。他方、通常金属マトリックスの電流運搬ワイヤは過熱の影響を受け易いのに対し、抵抗モードでは、通常金属の抵抗は温度と共に増大し、よって、スイッチの望ましい高い全抵抗をもたらす。一部の構成では、急冷（クエンチ）中に磁石から電流を極めて迅速に除去し、それによって、磁石又は付近の人々又は機器への損傷を防止するために、この抵抗モードを安全回路の一部として使用し得る。
【０００３】
スイッチ断熱に対する要求は矛盾する。一方では、超電導巻線の良好な冷却は、特に電流ランプ中に、急冷に対するその安定性を向上する。他方では、過熱、故に、高い電気抵抗を達成するために、スイッチの抵抗動作モードにおいて良好な断熱が必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、先述の問題及び他の問題を克服する、超電導スイッチの冷却条件を管理するための新しい改良されたシステム及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの特徴によれば、抵抗動作モードと超電導動作モードとの間で切り換わるスイッチは、少なくとも１つの巻線と、少なくとも１つの加熱素子と、巻線が周りに位置付けられる少なくとも１つの選択的なボビンとを含む巻線組立体、少なくとも１つの巻線を冷却する冷媒を含む少なくとも１つの内部冷却キャビティ、外部冷却貯槽、及び、内部冷却キャビティと外部冷却貯槽との間の意図的な冷媒の流れを許容する１つ又はそれよりも多くの小さい孔を備える少なくとも１つのバッフルを含む。
【０００６】
他の特徴によれば、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置内の磁石を作動するための二重モードスイッチを製造する方法は、ボビンについて少なくとも１つの巻線を形成するよう、ボビンの周りに少なくとも１つの超電導ワイヤを巻回することを含む。少なくとも１つの加熱素子が含められる。加熱素子は、当該技術分野において既知であるような熱を生み出す如何なる素子であってもよい。１つの実施態様において、巻線組立体は、少なくとも１つの巻線と、少なくとも１つの加熱素子と、ボビンとを含む。代替的な実施態様において、ボビンの一部又は全部は廃棄され、巻線組立体は、少なくとも１つの巻線、少なくとも１つの加熱素子、及び、ボビンの如何なる残存部分をも含む。本方法は、巻線組立体を実質的に管状のハウジング内に位置付けることを更に含む。前記ハウジングは如何なる幾何学的な断面をも有し得る。本方法は、１つ又はそれよりも多くのバッフルをハウジング及び巻線組立体の少なくとも１つの共通端部に固定することを更に含む。本発明の１つの実施態様では、選択的な接続層がハウジング及び巻線組立体の少なくとも１つの共通端部に固定される。選択的な接続層は内部冷却キャビティの端部を封止し得る。選択的な接続層は少なくとも１つのバッフルを置換し得る。内部冷却キャビティが、巻線及び巻線組立体の冷却表面、ハウジングの選択的な内表面、及び、少なくとも１つのバッフルによって定められる。１つ又はそれよりも多くのバッフルは、内部冷却貯槽と外部冷却貯槽との間の意図的な冷媒の流れを許容する１つ又はそれよりも多くの小さい孔を含む。
【０００７】
他の特徴によれば、超電導動作モードと抵抗動作モードとの間でスイッチを切り換える方法は、１つの巻線の少なくとも一部を抵抗状態に戻し且つ冷却キャビティ内の液体冷媒の気化を引き起こすのに十分な温度までスイッチ内の少なくとの１つの加熱素子を加熱することを含み、冷媒の気化は、１つ又はそれよりも多くのバッフル内の１つ又はそれよりも多くの孔を通じて、過剰な冷媒を冷却キャビティから出させる。最新技術において既知であるように、冷媒の密度の減少は、巻線から外部冷媒貯槽への熱の除去を妨げ、それによって、温度の上昇を維持する。冷媒の温度上昇は、抵抗モードの間、巻線組立体内の巻線の少なくとも一部の温度、従って、抵抗の上昇を維持する。本方法は、少なくとも１つの加熱素子への電力を減少して、冷却キャビティ内の冷媒が蒸気状態から液化することを許容し、巻線が超電導的であり、それによって、巻線が超電導モードに戻る温度まで巻線を冷却するよう、外部冷媒貯槽からの液体冷媒で再充填することを許容することを含む。
【０００８】
１つの利点は、抵抗モード及び超電導モードの両方で動作する二重モードスイッチが提供されることである。
【０００９】
他の利点は、超電導モードにおける安定性の向上に存する。
【００１０】
他の利点は、抵抗モードにおけるスイッチ抵抗の増大である。
【００１１】
主題のイノベーションの一層更なる利点は、以下の詳細な記載を判読し且つ理解した後、当業者によって理解されよう。
【００１２】
本イノベーションは、様々な構成部品及び構成部品の配置における、並びに、様々なステップ及びステップの配置における形態を取り得る。図面は、様々な特徴を例証する目的のためだけであり、本発明を限定するものとして解釈されてはならない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】超電導ワイヤから選択的なボビンの周りに巻回された巻線から成る巻線組立体を備える超電導スイッチを示す断面図であり、冷却キャビティは巻線組立体の外部に配置されている。
【図２】冷却キャビティが巻線組立体の内部に配置されるスイッチを示す断面図である。
【図３Ａ】バッフル内の穴として或いはバッフルの周囲にある切取りとして作製される通路又は孔を備えるバッフルの様々な実施態様を示す概略図である。
【図３Ｂ】バッフル内の穴として或いはバッフルの周囲にある切取りとして作製される通路又は孔を備えるバッフルの様々な実施態様を示す概略図である。
【図３Ｃ】バッフル内の穴として或いはバッフルの周囲にある切取りとして作製される通路又は孔を備えるバッフルの様々な実施態様を示す概略図である。
【図３Ｄ】通路又は孔がフェルト、硬い布、メッシュ、又は、最新技術において既知の比較可能な材料内に自然に起こる開口である代替的な実施態様を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、超電導ワイヤから選択的なボビン１４の周りに巻回された巻線１２から成る巻線組立体と、少なくとも１つの加熱素子とを備える、超電導スイッチの断面図を例証している。巻線組立体は、内部キャビティ１６を介して冷却される。スイッチ１０は、中空の内部キャビティ１６を備えるスプール又はボビン１４上の巻線１２を利用する。中空の内部キャビティ１６は、１つ又はそれよりも多くの小さい孔２２を有するバッフル２０によって、外部冷媒（例えば、液体ヘリウム（Ｈｅ））貯槽又は容積１８から分離される。孔の最大サイズは、超電導磁石冷却システムの通常動作圧力での液体冷媒中のガス状冷媒の気泡サイズと釣り合ったサイズである。好適な冷媒がヘリウムであるならば、孔の最大サイズは、１ｍｍのオーダであり得る。超電導状態において、内部キャビティは液体冷媒（例えば、ヘリウム）で充填され、それは生成される如何なる熱をも吸収する。スイッチを抵抗状態に行かせるために、加熱素子が活性化される。超伝導状態に戻るために、少なくとも加熱素子が非活性化され、ボア内のガス状冷媒が液化することを可能にし、追加的な液体冷媒が外部貯槽からボア内に流入することを許容する。内部キャビティ内の液体冷媒の全体からの冷却は、巻線をその超伝導状態に戻す。より具体的には、液体冷媒が巻線及び／又はボビンの冷却表面２４を冷却し始めると、巻線の抵抗性は益々少なくなり、超伝導状態への移行がより急激に進行することを可能にする。
【００１５】
１つの実施態様において、内部キャビティ１６は、例証されるように、ハウジング２６（例えば外部絶縁管）によって一方の側に定められ、巻線組立体の表面２４によって他方の側に定められる。内部キャビティ１６は、バッフル２０によって一端部で境界付けられ、接続層２８によって他端部で境界付けられ、接続層２８は、ボビンをハウジング管に結合し、内部キャビティ１６の一端を封止する。他の実施態様では、内部キャビティ１６は、バッフル２０を用いて全ての端部で境界付けられる。
【００１６】
他の実施態様において、スイッチ１０の巻線１２は、超電導ワイヤから巻回される。内部キャビティ１６は、小さい孔によって穿孔されたバッフル２０又は複数のバッフルによって冷媒で充填された外部容積１８から分離され、小さい孔の全断面積及びそれらの相対的分布が所望の冷媒及びスイッチの動作モードによって決定される限定的な冷媒の流れを可能にする。
【００１７】
内部キャビティ１６は、スイッチが超電導状態にある間、ＭＲＩの全ての動作モード中に、スイッチ内の熱の発生が内部キャビティ１６内の冷媒を気化させるには不十分であるような大きさとされる。１つの実施態様において、孔の大きさ及び数（断面積）の下限は、スイッチが超伝導状態にある間にスイッチ内で生成される気泡が漏れるのを可能にすると同時に、外部容積からの連続的な再充填を可能にするよう選択される。他の実施態様では、孔の断面積の下限は低いので、スイッチの超電導動作モード中に生成される気泡が漏れない。しかしながら、内部キャビティ１６の容積と比べると、それらの容積は取るに足らないので、巻線表面の殆どは液体冷媒で湿潤な状態のままである。これらの低いレベルの熱生成で、内部キャビティ１６内に収容される冷媒は、実質的に液体状態である。巻線内の熱生成が停止すると、これらの気泡は液化する。内部キャビティ１６の容積と比較すると、揮発冷媒の気泡は、取るに足らない容積であるか、或いは、バッフル内の孔２２を通じて除去される。従って、巻線組立体の少なくとも１つの表面は、液体で殆ど湿潤な状態なままであり、それは巻線の十分な冷却をもたらす。
【００１８】
しかしながら、スイッチの抵抗動作モードでは、巻線内の熱生成は十分に高いので、冷媒の殆どは内部キャビティ１６から蒸発し、内部キャビティ１６はガス状冷媒で実質的に充填される。一部の実施態様において、孔の大きさ及び数の上限は、抵抗動作中に生成されるガスが漏れるのを可能にすると同時に、外部容積からの再充填を妨げるよう選択される。孔２２は、漏れ出すガスが孔を実質的に充填し且つ内部キャビティ１６内への液体逆流を最小限化するのを可能にするような大きさ及び分布とされる。結果的に、内部冷却表面２４は実質的に乾燥状態になり、それは冷却を妨げ、断熱を強化し、結果的に、巻線の温度を更に増大し、それによって、巻線の抵抗の望ましい増大を引き起こす。他の実施態様では、スイッチ内の熱生成が停止すると、スイッチ動作中に内部キャビティ１６内に現れるガスは液化する。開口の大きさ及び数の上限は、時宜に適った方法で内部キャビティ１６の再充填を可能にするよう選択される。図１において、内部キャビティ（容積）１６は、巻線組立体の外径の周りに配置されている。加えて、選択的な内部キャビティ１６’が、ここでは選択的な巻線ボビン１４の内側に示される、超電導スイッチ巻線１２の内径上に配置されている。図示されるように、冷媒は巻線と直接的に接触する。他の実施態様では、冷媒は巻線と直接的に接触しない。しかしながら、この場合には、巻線組立体は、熱が時宜に適った方法で転移するのを可能にするよう、巻線と冷媒との間の材料が設計される。
【００１９】
他の実施態様では、常伝導域を巻線内に現させ、液体冷媒（例えば、ヘリウム）を気化させるために、スイッチに熱を適用することによって、スイッチは抵抗性にされる。スイッチを超伝導状態に戻させるために、少なくとも加熱素子が止められて、巻線を冷却させ、それは外部容積１８からの液体冷媒が内部キャビティ１６内の冷却ガスを移動することを許容する。
【００２０】
内部キャビティ１６は、巻線組立体の周りに中心化された１つのキャビティとして示されているが、多数のキャビティを使用することができ、それらの位置は、熱が時宜に適った方法で転移するのを可能にするよう、巻線と冷媒との間の材料が設計される基準によって制限されるだけである。
【００２１】
図２は、選択的な巻線ボビン１４の内側に示された、巻線組立体の内径上に配置された内部キャビティ１６’を備えるスイッチ４０を例証している。熱が時宜に適った方法で転移するのを可能にするよう、巻線と冷媒との間の選択的な材料が設計されるよう、巻線組立体が設計される。図１に関して記載されたように、冷媒は内部キャビティ１６’と外部貯槽１８との間を流れる。小さい孔２２を備えるバッフル２０の存在は、低い熱生成での巻線組立体冷却表面４２の十分な冷却を可能にし、巻線内の高い熱生成での冷却を制約する。巻線組立体は、選択的な接続層２８又は追加的なバッフル２０によって、ハウジング２６（例えば、外部絶縁管等）に結合される。
【００２２】
内部キャビティ１６は、巻線組立体内に中心化された１つのキャビティとして示されているが、多数のキャビティを使用することができ、それらの位置は、熱が時宜に適った方法で転移するのを可能にするよう、巻線と冷媒との間の材料が設計される基準によって制限されるだけである。加えて、冷却キャビティは、図２に示されるような少なくとも１つの内部キャビティ１６’と図１に示されるような少なくとも１つの内部キャビティ１６との組み合わせを含む複数のキャビティから成り得る。
【００２３】
図３Ａ乃至３Ｄは、バッフル内の孔又はバッフルの周囲の切取りのいずれかとして作製される通路又は孔２２を備えるバッフル２０の様々な実施態様を例証している。内部キャビティと整列される小さい孔の大きさ及び数（全断面積）が２つの動作モード中の熱生成によって決定される下限と上限との間にある限り、楕円、長方形、スロット等のような、孔のための代替的な形状が許容可能である。極めて小さい毛管開口の場合、それらの数及び断面積は、熱生成が停止した後の気泡液化の望ましい速度によって決定される。
【００２４】
図３Ａは、小さい孔２２がバッフル２０の周囲のノッチとして切断される実施態様を例証している。
【００２５】
図３Ｂは、小さい孔２２がバッフル２０の周囲付近に設けられる実施態様を例証している。
【００２６】
図３Ｃは、単一の小さい孔２２がバッフルの中心に設けられる実施態様を例証している。
【００２７】
図３Ｄは、小さい孔２２が、フェルト、硬い布、メッシュ、エキスパンデッドメタル、フォーム、又は、最新技術において既知であるような任意の比較可能なガス透過性材料から成るバッフル２０内に自然に現れる実施態様を例証している。
【００２８】
バッフル２０及びスイッチ１０は、円形断面に限定されず、むしろ当業者によって理解されるような如何なる適切な或いは所望の形状をも有し得ることが理解されよう。
【００２９】
本イノベーションは幾つかの実施態様を参照して記載された。前述の詳細な記載を判読し理解した後、変形及び変更が他の者に思い浮かび得る。本イノベーションは、そのような変形及び変更が添付の請求項又はそれらの均等の範囲内にある限り、全てのそのような変形及び変更を含むよう解釈されることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
0005679987.tif 000007