(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導磁石用の低渦電流極低温剤回路（１００）であって、
前記超伝導磁石と熱接触し、前記超伝導磁石を冷却する、導電性材料で構成された少なくとも第１の冷却コイル（１０２）と、
前記第１の冷却コイル（１０２）に組み込まれた少なくとも１つの電気絶縁体（１０４）と、
周囲雰囲気から前記超伝導磁石への輻射を遮る熱遮蔽体（１２８）と、
前記熱遮蔽体（１２８）の周囲を囲む、導電性材料で構成された少なくとも第２の冷却コイル（１３０）と、
前記第２の冷却コイル（１３０）に組み込まれた少なくとも１つの第２の電気絶縁体（１２０）と、
を含み、
前記電気絶縁体（１０４）は、前記第１の冷却コイル（１０２）における電流路を遮断し、前記第１の冷却コイル（１０２）と渦電流誘導磁界源との誘導結合に起因する誘導による渦電流の発生を抑制する非導電性材料の管を備えており、
前記第２の電気絶縁体（１２０）は前記第２の冷却コイル（１３０）と渦電流誘導磁界源との誘導結合に起因して磁界が誘導されるのを防止するように配置されており、
前記第１の冷却コイル（１０２）からの極低温剤が前記第２の冷却コイル（１３０）の入力部分（１３１Ａ）に導入され、
前記少なくとも１つの第２の電気絶縁体（１２０）が前記入力部分（１３１Ａ）において前記第２の冷却コイル（１３０）に組み込まれていることを特徴とする低渦電流極低温剤回路（１００）。
【請求項２】
前記第１及び第２の冷却コイル（１０２，１１８）の両方がほぼ半円形の部分（１１０）を含んでおり、また前記前記第１及び第２の冷却コイル（１０２，１１８）は、ほぼ円形の形状を持つ冷却バンド（１２２）を形成するように互いに対して位置決めされている、請求項１記載の極低温剤回路（１００）。
【請求項３】
更に、複数の冷却バンド（１２２）と、
該複数の冷却バンド（１２２）に極低温剤を分配するように構成されている第１のマニホルド（１２３）と、
複数の前記第２の冷却コイル（１３０）に極低温剤を分配するように構成されている第２のマニホルド（１２３）と、
を含み、
前記第１の冷却コイル（１０２）からの極低温剤が圧力逃し弁（１３８）及び前記第２のマニホルド（１２３）を介して前記第２の冷却コイル（１３０）の前記入力部分（１３１Ａ）に導入される、請求項１又は２記載の極低温剤回路（１００）。
【請求項４】
超伝導磁石（３０２）を冷却する方法であって、
請求項１乃至３のいずれかに記載の極低温剤回路（１００）を超伝導磁石（３０２）に熱接触させる段階と、
極低温剤を前記第１の冷却コイル（１０２）に通す段階と
を含んでいる方法。
【請求項５】
前記方法は更に、少なくとも第２の電気絶縁体（１２０）を組み込んだ第２の冷却コイル（１１８）を前記超伝導磁石（３０２）に熱接触させる段階を含んでおり、前記第２の電気絶縁体（１２０）は前記第２の冷却コイル（１２０）と渦電流誘導磁界源との誘導結合に起因して磁界が誘導されるのを防止するように配置されており、前記第１及び第２の冷却コイル（１０２，１１８）の両方はほぼ半円形の部分（１１０）を含んでおり、また前記第１及び第２の冷却コイル（１０２，１１８）は、ほぼ円形の形状を持つ冷却バンド（１２２）を形成するように互いに対して位置決めされている、請求項４記載の方法。
【請求項６】
極低温剤を通す前記段階は、前記冷却バンドの上方に配置された極低温剤タンク（１２４）から極低温剤を前記第１及び第２の冷却コイル（１０２，１１８）に供給する段階を含んでおり、前記第１及び第２の冷却コイル（１０２，１１８）は頂部部分（１０８）及び底部部分（１０６）を有しており、前記極低温剤が前記底部部分（１０６）に供給され且つ前記頂部部分（１０８）から排出される、請求項５記載の方法。
【請求項７】
超伝導磁石（３０２）と、
請求項１乃至３のいずれかに記載の低渦電流極低温剤回路（１００）と、
を含んでいるＭＲＩシステム（３００）。
【請求項８】
前記第１の冷却コイル（１０２）は導電性材料で構成されており、前記第１の冷却コイル（１０２）には少なくとも１つの電気絶縁体（１０４）が組み込まれており、前記電気絶縁体（１０４）は前記第１の冷却コイル（１０２）と渦電流誘導磁界源との誘導結合に起因して磁界が誘導されるのを防止するように配置されている、請求項７記載のＭＲＩシステム（３００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に云えば超伝導磁石を冷却するための方法及び装置に関するものであり、特に磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムに使用される磁石を冷却することに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超伝導磁石を利用する様々な磁気イメージング・システムが存在する。イメージング・システムの一例が磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムである。ＭＲＩシステムは患者の身体の一部分の画像を作成するために使用されている。
【０００３】
超伝導ＭＲＩシステムは典型的には１つの超伝導磁石を利用しており、しばしば複数のコイルを備えている。磁石の内部には撮像容積(imaging volume)が設けられる。撮像容積の中に身体又は材料が配置され、次いで像又は信号が検出されて、コンピュータのようなプロセッサによって処理される。
【０００４】
既存の大多数の超伝導ＭＲＩ磁石はニオブ−チタン材料で製造されており、該材料は低温保持装置(cryostat)によって４．２Ｋの温度まで冷却される。典型的な超伝導磁石低温保持装置は、液体ヘリウム容器と、１つ又は２つの熱遮蔽体と、真空容器とを含んでいる。熱遮蔽体は周囲雰囲気からヘリウム容器への輻射を遮る。この輻射による熱負荷は、低温保持装置に対して冷却を行うクライオクーラ(cryocooler)のような冷凍機によって釣り合わさせる。
【特許文献１】米国特許第５４１２３６３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、周囲雰囲気からの熱に加えて、付加的な熱源が存在することがある。例えば、低温保持装置の構成要素がＭＲＩ勾配コイルからのフリンジ磁界のような磁界に曝されているとき、渦電流が生じる。これらの渦電流はジュール加熱を生じさせ、これは冷凍機によって除くべき熱負荷を増大させる。その上、これらの渦電流によって撮像容積内に発生される磁界が、一般に、システムのイメージング品質に悪影響を及ぼす。この問題に対処するための従来の試みは、超伝導コイル及び極低温部品の領域におけるＡＣ磁界強度を減少させることより成っていた。しかしながら、これは、典型的にはシステム性能に悪影響を及ぼしていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の好ましい一面によれば、超伝導磁石用の低渦電流極低温剤回路を提供し、該回路は、導電性材料で構成された少なくとも第１の冷却コイルと、該第１の冷却コイルに組み込まれた少なくとも１つの電気絶縁体とを含んでおり、該電気絶縁体は、第１の冷却コイルと渦電流誘導磁界源との誘導結合に起因して極低温剤回路に渦電流ループが誘導されるのを防止するように配置されている。
【０００７】
本発明の好ましい一面によれば、超伝導磁石を冷却する方法を提供し、該方法は、少なくとも１つの電気絶縁体を組み込んだ少なくとも第１の冷却コイルを超伝導磁石に熱接触させる段階であって、該電気絶縁体は第１の冷却コイルと渦電流誘導磁界源との誘導結合に起因して渦電流ループが誘導されるのを防止するように配置される段階と、極低温剤(cryogen) を第１の冷却コイルに通す段階とを含んでいる。
【０００８】
本発明の好ましい一面によれば、超伝導磁石と低渦電流極低温剤回路とを含むＭＲＩシステムを提供し、該低渦電流極低温剤回路は超伝導磁石に熱接触した少なくとも第１の冷却コイルを有している。
【０００９】
本発明の好ましい一面によれば、冷却バンドを製造する方法を提供し、該方法は、ほぼ半円形の部分を有する第１及び第２の冷却コイルを用意する段階と、第１及び第２の冷却コイルがほぼ円形の形状を形成するように第１及び第２の冷却コイルを可撓性の裏当てに固着する段階とを含んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者は、超伝導コイル及び極低温部品の領域におけるＡＣ磁界強度を減少させることなく、ＭＲＩシステムのような超伝導磁石システムにおいて渦電流ループから発生される熱を減少できることに気が付いた。これは、超伝導磁石を冷却するために低渦電流極低温剤回路を使用することによって達成することができる。詳しく述べると、これは、冷却コイルを設け、該冷却コイルに、冷却コイルと渦電流誘導磁界源との誘導結合に起因して磁界が誘導されるのを抑制するように少なくとも１つの電気絶縁体を組み込むことによって達成することができる。
【００１１】
図１は本発明の低渦電流極低温剤回路１００の幾つかの面及び実施形態を示す。本発明の好ましい実施形態では、低渦電流極低温剤回路１００は少なくとも１つの冷却コイル１０２を含んでいる。典型的には、冷却コイル１０２は、極低温で動作するのに適した漏れのない回路を構成するのを容易にするためにステンレス鋼又は銅で製作される。しかしながら、適当な熱伝導度を持つ任意の材料を使用することもできる。
【００１２】
典型的には、漏れのない極低温管のために使用される材料はまた導電性である。これらの材料が導電性であるので、様々な電磁界源、例えば、磁界源又はＡＣ磁界源と冷却コイル１０２との誘導結合に起因して渦電流が冷却コイル１０２に誘導されることがある。これらの渦電流ループが誘導されるのを防止するために、少なくとも１つの電気絶縁体１０４が冷却コイル１０２に組み込まれる。すなわち、冷却コイル１０２は、冷却コイル１０２の一部分を非導電性材料で作ることによって製造することができる。例えば、冷却コイル１０２の一部分をセラミック管で作ることができる。セラミック管を使用することによって、冷却コイル１０２における電流路が遮断されて、誘導による渦電流の発生が抑制される。
【００１３】
図２Ｂに例示されている本発明の一実施形態では、冷却コイル１０２は入力部分１０６、出力部分１０８及び半円形部分１１０を有する。典型的には、液体極低温剤が、冷却コイル１０２の底部にある入力部分１０６を介して冷却コイル１０２に導入される。冷却コイル１０２によって熱を吸収するにつれて、液体極低温剤の一部分が蒸発する。極低温剤蒸気と残りの液体極低温剤とが、冷却コイル１０２の頂部にある出力部分１０８を介して冷却コイル１０２から出て行く。
【００１４】
好ましい一実施形態では、半円形部分１１０は、ＭＲＩシステム３００（図５）の超伝導磁石を冷却するように設計されている。しかしながら、半円形部分はまた、磁気選別機、電動機、発電機のような他の用途での超伝導磁石を冷却するように設計することもできる。
【００１５】
図２Ａは別の実施形態による冷却コイル１０２を例示する。この実施形態では、冷却コイル１０２は、半円形部分１１０の円弧に対して直角に蛇行形状を形成する複数の屈曲部１１２を含んでいる。この実施形態の冷却コイル１０２は、コイル自体内での熱伝導路を短く保ちながら、軸方向の長さが長いコイルを冷却して、コイル端部において許容できない温度上昇を生じることなくこのようなコイルから熱を除去することができる。
【００１６】
図４Ａ〜４Ｃは、図２Ａに例示した実施形態に基づいた追加の特徴及び実施形態を例示する。好ましくは、冷却コイル１０２の屈曲部１１２は、冷却管１０２内の液体極低温剤の中の気泡が重力の下で上向きに流れるように角度が付けられている（図４Ｂ）。典型的には、屈曲部１１２の角度βは０度よりも大きい。しかしながら、該角度は少なくとも０度である限り、すなわち、負にならない限り、気泡は冷却コイル１０２内に捕捉されない。従って、冷却コイル１０２はベーパーロック（蒸気閉塞）を生じることがない。
【００１７】
随意選択により、間挿片１１４を冷却コイル１０２の屈曲部１１２相互の間に設けてもよい。好ましくは、間挿片の高さは冷却コイル１０２の厚さとほぼ同じである。典型的には、間挿片は高分子材料、好ましくは、フェノール重合体で作られる。更に、好ましい実施形態では、冷却コイル１０２の直径は約７ｍｍよりも小さい。更に好ましくは、冷却コイル１０２の直径は約３ｍｍよりも大きく且つ約７ｍｍよりも小さい。
【００１８】
本発明の上述の実施形態による低渦電流極低温剤回路１００を製造するとき、先ず冷却コイル１０２を半円形状に形成して、間挿片１１４と共に又は間挿片１１４無しで、裏当て１１６に固着することができる。随意選択により、冷却コイル１０２及び間挿片は可撓性の裏当て１１６に固着し、次いで半円形状に湾曲させることができる。次いで、裏当て１１６は間挿片１１４及び冷却コイル１０２と共に超伝導磁石と熱接触関係に設置することができる。
【００１９】
本発明の以上の実施形態は単一の冷却コイル１０２を使用することに関していた。別の好ましい実施形態（図４Ａに例示する）では、第２の冷却コイル１１８を追加することにより冷却バンド１２２を形成し、第２の冷却コイル１１８には少なくとも第２の電気絶縁体１２０を組み込む。第１の冷却コイル１０２の場合と同様に、第２の電気絶縁体１２０は、第２の冷却コイル１１８と渦電流誘導磁界源との誘導結合に起因して磁界が誘導されるのを防止するように配置される。更に、第１及び第２の冷却コイル１０２，１１８は共にほぼ半円形部分１１０を有する。好ましくは、第１及び第２の冷却コイル１０２，１１８は、ほぼ円形の形状を持つ冷却バンド１２２を形成するように互いに対して配置される。
【００２０】
冷却バンド１２２は超伝導コイル３０２に巻き付けて、超伝導コイル３０２の全周にわたって冷却を行うことができる（図３Ａ）。更に、超伝導コイルの軸方向長さが長い場合、複数の冷却バンド１２２を設けることができる。複数の冷却バンド１２２が設けられている場合、極低温剤を複数の冷却バンド１２２に分配するためにマニホルド１２３（図１）も設けることができる。
【００２１】
図３Ｂに例示する本発明の別の実施形態では、複数の冷却バンド１２２のうちの少なくとも幾つかが超伝導コイル３０２の巻線の内部に組み込まれる。この実施形態は、他の場合では超伝導コイル３０２内にホット・スポットを生じる恐れのあるような厚い超伝導コイル３０２に用いることができる。更に、この実施形態は最後の実施形態と組み合わせることができる。すなわち、複数の冷却バンド１２２を超伝導コイル３０２の巻線の内部に且つ超伝導コイル３０２に沿って軸方向に組み込むことができる。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態では、低渦電流極低温剤回路１００は、冷却バンド１２２の第１及び第２の冷却コイル１０２，１１８に流体接続された液体極低温剤タンク１２４を含んでいる（図１）。好ましくは、液体極低温剤タンク１２４は第１及び第２の冷却コイル１０２，１１８の上方に配置されて、第１及び第２の冷却コイル１０２，１１８の底部に位置する入力部分１０６に流体接続される。この配置では、液体極低温剤が冷却バンド１２２を上向きに流れる。この構成は、冷却バンド１２２を通る液体極低温剤の蒸発によって蒸気が形成された場合に該蒸気の流れを助けて、冷却バンド１２２内でのベーパーロックの形成を抑制する。
【００２３】
別の好ましい実施形態では、低渦電流極低温剤回路１００は少なくとも１つの熱遮蔽体１２８を含んでいる。熱遮蔽体１２８は周囲雰囲気からＭＲＩシステムのような超伝導磁石装置の超伝導磁石への輻射を遮る。好ましくは、熱遮蔽体１２８は、熱遮蔽体１２８の周囲を囲む少なくとも１つの熱遮蔽体冷却コイル１３０を備えている。極低温剤が一温度で入力部分１３１Ａを介して熱遮蔽体冷却コイル１３０へ導入され、熱遮蔽体１２８から熱を除去した後に一層高い温度で出力部分１３１Ｂを介して排出される。好ましくは、冷却バンド１２２内の冷却コイル１０２，１１８と同様に、熱遮蔽体冷却コイル１３０は、熱遮蔽体冷却コイル１３０と渦電流誘導磁界源との誘導結合に起因して磁界が誘導されるのを防止する少なくとも１つの電気絶縁体１３２を含んでいる。
【００２４】
別の実施形態では、熱遮蔽体１２８の周囲を複数の熱遮蔽体冷却コイル１３０で囲むことができる。複数の熱遮蔽体冷却コイル１３０が設けられる場合、複数の熱遮蔽体冷却コイル１３０に極低温剤を分配するためにマニホルド１２３も設けることができる。
【００２５】
好ましくは、低渦電流極低温剤回路１００は、クライオクーラ１３４と、このクライオクーラ１３４に熱接続された凝縮器１３６とを含んでいる。更に好ましくは、冷却コイル１０２，１１８の頂部に有る出力部分１０８が凝縮器１３６に流体接続される。この実施形態では、蒸発した極低温剤を凝縮器１３６に導いて、液化し、次いで再使用のために液体極低温剤タンク１２４へ送ることができる。
【００２６】
本発明の別の実施形態では、クライオクーラ１３４は２つの段１３５Ａ、１３５Ｂを有している。この実施形態では、凝縮器１３６がクライオクーラ１３４の第２段１３５Ｂに熱接続されると共に、熱遮蔽体冷却コイル１３０がクライオクーラ１３４の第１段１３５Ａに熱接続される。更に、この実施形態では、低渦電流極低温剤回路１００は２つの部分回路、すなわち、コイル冷却部分回路２００と熱遮蔽体部分回路２０２とを有するものとして記述することができる。コイル冷却部分回路２００は、液体極低温剤タンク１２４と、冷却バンド１２２と、凝縮器１３６とを含む。熱遮蔽体部分回路２０２は、熱遮蔽体冷却コイル１３０と、クライオクーラ１３４の第１段１３５Ａとを含む。
【００２７】
この実施形態の好ましい一面では、コイル冷却部分回路２００及び熱遮蔽体部分回路２０２は第１の圧力逃し弁１３８に接続することができる。コイル冷却部分回路２００内の圧力が予め設定した圧力を越えた場合に、コイル冷却部分回路２００からの極低温剤蒸気を熱遮蔽体部分回路２０２の中へ解放することができる。この態様では、予め設定した圧力はクライオクーラの第２段１３５Ｂの冷却能力と冷却バンド１２２の熱負荷とを釣り合わせる。
【００２８】
随意選択により、熱遮蔽体部分回路２０２を大気へ通気するために第２の圧力逃し弁１４０を設けることができる。従って、熱遮蔽体部分回路２０２内の圧力が第２の予め設定した圧力を越えた場合、熱遮蔽体部分回路２０２内の極低温剤蒸気を大気へ解放して、熱遮蔽体部分回路２０２内の圧力を低減し、従って、低渦電流極低温剤回路１００内の圧力を低減することができる。好ましくは、低渦電流極低温剤回路１００内の圧力は、動作中は常に大気圧よりも高い。この態様では、大気圧は、低渦電流極低温剤回路１００の外部から空気を進入させることにより低渦電流極低温剤回路１００の動作を妨げることはない。
【００２９】
更に、クライオクーラの第１段１３５Ａと熱遮蔽体冷却コイルの入力部分１３１Ａとの間に逆止め弁１４２を設けることができる。逆止め弁１４２は熱遮蔽体部分回路２０２内の蒸気圧力について付加的な制御を行う。すなわち、逆止め弁は、冷却動作の際、及び冷却システムにおける電源異常又は機械の故障の際に、確実に、冷たい極低温剤が下向きに熱遮蔽体冷却コイル１３０へ流れて熱遮蔽体１２８から熱を除去するようにする。
【００３０】
低渦電流極低温剤回路１００内の圧力について更なる制御を行うために、本発明の別の実施形態では、極低温剤タンク１２４の内部にヒータ１２６が配置される。ヒータ１２６は、極低温剤タンク１２４内の圧力が予め設定した圧力よりも低下したときは何時でもターンオンされる。この態様では、クライオクーラ１３４の冷却能力を冷却バンド１２２からの熱負荷と釣り合わせることができる。
【００３１】
図５は、低渦電流極低温剤回路１００を含むＭＲＩシステム３００を例示している。ＭＲＩシステム３００は、ハウジング３１２内に数個の超伝導磁石３０２と、熱遮蔽体１２８と、勾配コイル３０６と、ＲＦコイル３０８と、ＲＦ遮蔽体３１０とを含んでいる。ハウジング３１２には患者用の中央中孔３０４が設けられている。この実施形態では、冷却バンド１２２が超伝導磁石３０２のコイルの外面上に配置されている。更に、熱遮蔽体冷却コイル１３０が２つの熱遮蔽体１２８の外面上には配置されている。
【００３２】
この実施形態では、冷却バンド１２２は、図２Ｂに例示されているように単純な半円形の形状を持つか、或いは図２Ａに例示されているように蛇行した屈曲部１１２を持つ冷却コイル１０２，１１８を含むことができる。更に、ハウジング３１２内に極低温剤容器を必要としていた従来技術のＭＲＩシステムとは異なり、本ＭＲＩシステム３００は内部の極低温剤容器を必要としない。本実施形態によるＭＲＩシステムでは、液体極低温剤タンク１２４はハウジング３１２の外側に配置して、パイプ又は配管（図示せず）を介して接続することができる。
【００３３】
更に、冷却システムにおける電源異常又は機械の故障の際に、「ライド・スルー(ride-through)」（すなわち、冷却機構の故障から、温度が上昇して超伝導材料の臨界温度より高くなることによる超伝導性の喪失までの期間）を提供するために液体極低温剤タンク１２４内の極低温剤の潜熱が利用可能である。ライド・スルー中に、低渦電流極低温剤回路１００内の圧力が上昇して、圧力逃し弁１３８，１４０の両方が開く。冷却バンド１２２で沸騰した極低温剤は熱遮蔽体部分回路に流入して、熱遮蔽体冷却コイル１３０を通り、そして大気へと排出される。好ましくは、クライオクーラ１３４が故障した場合、液体極低温剤タンク１２４内の極低温剤が少なくとも４時間にわたるライド・スルーの間の潜在的な冷却を行う。より好ましくは、液体極低温剤タンク１２４内の極低温剤が少なくとも１２時間にわたるライド・スルーの間の潜在的な冷却を行う。
【００３４】
以上、例示の目的で好ましい実施形態について説明した。しかしながら、この説明は本発明の範囲を制限するものと見なすべきではない。従って、当業者には、特許請求の範囲に記載した発明思想の範囲内で様々な修正、改変及び変更を行うことができよう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の幾つかの実施形態を例示する低渦電流極低温剤回路の概要図である。
【図２】本発明の一実施形態による冷却バンドの概要図である。
【図３】本発明の別の実施形態による冷却バンドの断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による冷却バンドを製造する方法を例示する概要図である。
【図５】本発明の一実施形態によるＭＲＩシステムの概要図である。
【符号の説明】
【００３６】
１００  低渦電流極低温剤回路
１０２  冷却コイル
１０４  電気絶縁体
１０６  入力部分
１０８  出力部分
１１０  半円形の部分
１１２  屈曲部
１１４  間挿片
１１６  裏当て
１１８  冷却コイル
１２０  電気絶縁体
１２２  冷却バンド
１２３  マニホルド
１２４  液体極低温剤タンク
１２６  ヒータ
１２８  熱遮蔽体
１３０  熱遮蔽体冷却コイル
１３１Ａ  入力部分
１３１Ｂ  出力部分
１３２  電気絶縁体
１３４  クライオクーラ
１３５Ａ  クライオクーラの第１段
１３５Ｂ  クライオクーラの第２段
１３６  凝縮器
１３８  圧力逃し弁
１４０  圧力逃し弁
１４２  逆止め弁
２００  コイル冷却部分回路
２０２  熱遮蔽体部分回路
３００  ＭＲＩシステム
３０２  超伝導コイル
３０４  中央中孔
３０６  勾配コイル
３０８  ＲＦコイル
３１０  ＲＦ遮蔽体
３１２  ハウジング
【図１】
0004691350.tif 000002
【図２】
0004691350.tif 000003
【図３】
0004691350.tif 000004
【図４】
0004691350.tif 000005
【図５】
0004691350.tif 000006