(57)【要約】【課題】無冷媒の超伝導マグネット・アセンブリを冷却する方法及びこれを備えたシステムを提供する。【解決手段】高Ｔc超伝導マグネット並びに該高Ｔc超伝導マグネットと熱的接触している熱リザーバを有する無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ及び無冷媒超伝導マグネット・アセンブリを冷却する方法、並びに無冷媒超伝導マグネット・アセンブリを有するＭＲＩシステムが提供される。本発明の好ましい一態様によれば、２５Ｋにおいて少なくとも概ね０．０６５Ｊ／ｇＫの熱容量を有する材料を備えた熱リザーバと熱的に接続された高Ｔc超伝導マグネットを提供する工程と、該高Ｔc超伝導マグネットと熱的に接続されたクライオクーラを提供する工程と、冷媒を使用することなく高Ｔc超伝導マグネットから熱を回収する工程と、を含む方法が提供される。【選択図】      図１
2005101613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高Ｔc超伝導マグネット（１１４）と、
前記高Ｔc超伝導マグネット（１１４）と熱的接触する熱リザーバ（１１２）と、を備える無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ（１１０）であって、
前記熱リザーバ（１１２）は２５Ｋにおいて少なくとも概ね０．０６５Ｊ／ｇＫの熱容量を有する材料を備えている無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ（１１０）。
【請求項２】
前記リザーバ材料は氷、エポキシ、メタクリレート、ポリウレタン、合成ゴム、天然ゴム、プラスチック、樹脂、または鉛を含む、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
クライオクーラ（１２０）をさらに備える請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記熱リザーバ（１１２）は概ね９×１０5Ｊを超える総熱容量を有している、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記熱リザーバ（１１２）は、少なくとも１０時間のライドスルーを提供するだけの十分な質量を有している、請求項４に記載のアセンブリ。
【請求項６】
無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ（１１０）を冷却する方法であって、
２５Ｋにおいて少なくとも概ね０．０６５Ｊ／ｇＫの熱容量を有する材料を備えた熱リザーバ（１１２）と熱的接触する高Ｔc超伝導マグネット（１１４）を提供する工程と、
前記高Ｔc超伝導マグネット（１１４）と熱的に接続されたクライオクーラ（１２０）を提供する工程と、
冷媒を使用することなく前記高Ｔc超伝導マグネット（１１４）から熱を回収する工程と、
を含む方法。
【請求項７】
高Ｔc超伝導マグネット（１１４）と、前記高Ｔc超伝導マグネット（１１４）と熱的接触している２５Ｋにおいて少なくとも概ね０．０６５Ｊ／ｇＫの熱容量を有する材料を備えた熱リザーバ（１１２）と、を有する無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ（１１０）であって、前記超伝導マグネット（１１４）のアセンブリの内部に撮像ボリュームが形成されている無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ（１１０）と、
前記熱リザーバ（１１２）と熱的に接続されたクライオクーラ（１２０）と、
を備えるＭＲＩシステム（１００）。
【請求項８】
前記熱リザーバ（１１２）は高Ｔc超伝導マグネット（１１４）を実質的に囲繞している、請求項７に記載のＭＲＩシステム（１００）。
【請求項９】
第１の高Ｔc超伝導マグネット（１１４）と、前記第１の高Ｔc超伝導マグネット（１１４）と熱的接触している２５Ｋにおいて少なくとも概ね０．０６５Ｊ／ｇＫの熱容量を有する材料を備えた第１の熱リザーバ（１１２）と、を有する第１の無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ（１１０）と、
第２の高Ｔc超伝導マグネット（１１４）と、前記第２の高Ｔc超伝導マグネット（１１４）と熱的接触している２５Ｋにおいて少なくとも概ね０．０６５Ｊ／ｇＫの熱容量を有する材料を備えた第２の熱リザーバ（１１２）と、を有する第２の無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ（１１０）であって、前記第１のアセンブリと該第２のアセンブリの間に撮像ボリュームが形成されている第２の無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ（１１０）と、
を備えるＭＲＩシステム（１００）。
【請求項１０】
第１の高Ｔc超伝導マグネット（１１４）を有する第１の無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ（１１０）と、
第２の高Ｔc超伝導マグネット（１１４）を有する第２の無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ（１１０）と、
前記第１及び第２の高Ｔc超伝導マグネット（１１４）と熱的接触している２５Ｋにおいて少なくとも概ね０．０６５Ｊ／ｇＫの熱容量を有する材料を備えた熱リザーバ（１１２）と、を備えるＭＲＩシステム（１００）であって、
前記第１と第２のアセンブリ（１１０）の間に撮像ボリュームが形成されているＭＲＩシステム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には超伝導マグネットを冷却するための方法及び装置に関し、また具体的には磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムで使用されるマグネットの冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導マグネットを利用した様々な磁気イメージング・システムがある。イメージング・システムの一例は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を撮像するために使用される。
【０００３】
超伝導ＭＲＩシステムは、典型的には、多くの場合に複数のコイルを備える１つの超伝導マグネットを利用している。このマグネットの内部には撮像ボリュームが設けられている。撮像ボリューム内に人や材料を配置し、さらに画像または信号を検出し、次いでこれをコンピュータなどの処理装置によって処理している。
【特許文献１】米国特許第５３０４９３４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
既存の大部分の超伝導ＭＲＩマグネットは、ニオブ・チタン材料から製作され、これが液体ヘリウムにより４．２Ｋの温度まで冷却されている。これでは、高価な液体ヘリウムの供給が必要であるという欠点を有すると共に、発展途上国では利用可能ではない。さらに、電源障害や冷却システムの機械的障害が発生した場合、ＭＲＩシステム内の材料の熱容量が小さいために、「ライドスルー（ｒｉｄｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ）」（冷却機構の障害時点から、超伝導材料の臨界温度を超えた温度上昇のために超伝導が失われるまでの時間間隔）を提供するために利用できるのはヘリウム槽の潜熱だけである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の好ましい一態様によれば、高Ｔc超伝導マグネットと、該高Ｔc超伝導マグネットと熱的接触している２５Ｋにおいて少なくとも概ね０．０６５Ｊ／ｇＫの熱容量を有する材料を備えた熱リザーバと、を備える無冷媒超伝導マグネット・アセンブリが提供される。
【０００６】
本発明の好ましい一態様によれば、無冷媒超伝導マグネット・アセンブリを冷却する方法であって、２５Ｋにおいて少なくとも概ね０．０６５Ｊ／ｇＫの熱容量を有する材料を備えた熱リザーバと熱的に接続された高Ｔc超伝導マグネットを提供する工程と、該高Ｔc超伝導マグネットと熱的に接続されたクライオクーラを提供する工程と、冷媒を使用することなく高Ｔc超伝導マグネットから熱を回収する工程と、を含む方法が提供される。
【０００７】
本発明の好ましい一態様によれば、高Ｔc超伝導マグネット並びに該高Ｔc超伝導マグネットと熱的接触している２５Ｋにおいて少なくとも概ね０．０６５Ｊ／ｇＫの熱容量を有する材料を備えた熱リザーバを備える無冷媒超伝導マグネット・アセンブリであって、この超伝導マグネット・アセンブリの内部に撮像ボリュームが形成されている無冷媒超伝導マグネット・アセンブリと、熱リザーバと熱的に接続されたクライオクーラと、を備えるＭＲＩシステムが提供される。
【０００８】
本発明の好ましい一態様によれば、第１の高Ｔc超伝導マグネット並びに該第１の高Ｔc超伝導マグネットと熱的接触している２５Ｋにおいて少なくとも概ね０．０６５Ｊ／ｇＫの熱容量を有する材料を備えた第１の熱リザーバを有する第１の無冷媒超伝導マグネット・アセンブリと、第２の高Ｔc超伝導マグネット並びに該第２の高Ｔc超伝導マグネットと熱的接触している２５Ｋにおいて少なくとも概ね０．０６５Ｊ／ｇＫの熱容量を有する材料を備えた第２の熱リザーバを有する第２の無冷媒超伝導マグネット・アセンブリと、を備えており、これら第１と第２のアセンブリの間に撮像ボリュームが形成されているＭＲＩシステムが提供される。
【０００９】
本発明の好ましい一態様によれば、第１の高Ｔc超伝導マグネットを有する第１の無冷媒超伝導マグネット・アセンブリと、第２の高Ｔc超伝導マグネットを有する第２の無冷媒超伝導マグネット・アセンブリと、これら第１及び第２の高Ｔc超伝導マグネットと熱的接触している２５Ｋにおいて少なくとも概ね０．０６５Ｊ／ｇＫの熱容量を有する材料を備えた熱リザーバと、を備えており、これら第１と第２のアセンブリの間に撮像ボリュームが形成されているＭＲＩシステムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者らには、高熱容量材料で製作した熱リザーバによってクライオクーラ冷却式の超伝導マグネットを囲繞するか、こうした熱リザーバを該超伝導マグネットと熱的接触させて配置すると、ライドスルー能力を維持しながら超伝導システムから液体冷媒を排除することが可能であることが分かっている。ある熱容量を備えた材料、また好ましくは適度な量の材料を使用することによって、電源障害の際に適当なライドスルーを提供できるだけの十分な熱質量が利用可能となる。このことは、冷媒が高価であったり入手できないことが多い場所である発展途上国や遠隔地域での動作にとって特に有利である。
【００１１】
ここで、本発明の好ましい一実施形態による無冷媒超伝導マグネット・アセンブリについて記載することにする。この実施形態では、２０Ｋを超える温度で動作可能な高Ｔc超伝導コイルが、熱容量が大きい材料から製作した熱リザーバと熱的接触の状態となっている。高Ｔc超伝導コイルは熱リザーバによって囲繞することが好ましい。高Ｔc超伝導材料の例としては、ＤＢＣＯ（ジスプロシウム・バリウム・銅酸化物）、ＹＢＣＯ（イットリウム・バリウム・銅酸化物）、ＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物）、及びＭｇＢ2（二硼化マグネシウム）が含まれる、ただしこれらに限らない。
【００１２】
通常は、超伝導体の臨界温度とは、超伝導材料が超伝導性を失うことになる温度を意味する。しかし、本明細書の目的における臨界温度は、その温度を超えたときにマグネットがその定格磁場では動作することができなくなる温度である。この定格磁場は各設計に対して特有であり、また典型的には、マグネットの大きさ、形状及び動作温度の関数である。
【００１３】
熱リザーバ材料は２５Ｋにおいて少なくとも概ね０．０６５Ｊ／ｇＫの熱容量を有することが好ましい。熱リザーバ材料は２５Ｋにおいて少なくとも概ね０．１０Ｊ／ｇＫの熱容量を有することがさらに好ましい。別法として、その熱リザーバ材料は、２０Ｋと３０Ｋの間で少なくとも概ね０．６５Ｊ／ｇの最小エンタルピー変化を有することがある。熱リザーバ材料は、２０Ｋと３０Ｋの間で少なくとも概ね１．５５Ｊ／ｇの最小エンタルピー変化を有することが好ましい。
【００１４】
熱リザーバの総熱容量は、概ね９×１０5Ｊより大きいことが好ましい。この総熱容量を提供するための熱リザーバの熱質量は、その熱リザーバ材料の熱容量に応じて様々となる。しかしこの熱質量は、典型的には、概ね５２５ｋｇより大きい。熱リザーバは、電源の消失時に少なくとも５時間のライドスルーを提供できるだけの十分な熱質量を有することが好ましい。熱リザーバは、少なくとも１０時間のライドスルーを提供できるだけの十分な熱質量を有することがさらに好ましい。
【００１５】
本実施形態の熱リザーバ向けの適当な材料としては、氷、エポキシ、メタクリレート、ポリウレタン、合成ゴム、天然ゴム、プラスチック、樹脂、及び鉛が含まれる。好ましい材料としては、氷、Ａｒａｌｄｉｔｅ（商標）及びＧｌｙｐｔａｌ（商標）が含まれる。Ａｒａｌｄｉｔｅ（商標）は、エポキシ、メタクリレート及びポリウレタンにわたる一群の材料である。Ｇｌｙｐｔａｌ（商標）は、樹脂ベースのプラスチックである。これらの材料に関する熱容量及びエンタルピー変化のデータを以下の表に要約している。
【００１６】
【表１】
2005101613.tif 000003
【００１７】
図は、本発明の第２の実施形態による円筒状のＭＲＩシステム１００の断面図である。この図において、この円筒の軸は紙面と水平の方向に走っている。このＭＲＩシステム１００は、本発明の第１の好ましい実施形態による無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ１１０を含んでいる。この無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ１１０は、少なくとも１つの超伝導マグネット１１４を含んでいる。しかし、この無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ１１０は、典型的には複数の超伝導マグネット１１４を含んでいる。本発明の好ましい実施の一形態では、その超伝導マグネット１１４は、熱リザーバ１１２によって本質的に完全に囲繞されている。すなわち、少なくとも５時間、また好ましくは１０時間のライドスルーを保証するためには、超伝導マグネット１１４を、リード及び支持のための開口のみを有してすべての面（上面と底面を含む）から囲繞している。しかし、この超伝導マグネット１１４は必ずしも完全に囲繞する必要はない。超伝導マグネット１１４は熱リザーバ１１２と熱的に接続されている。
【００１８】
超伝導マグネット１１４を使用する間に発生した熱を除去するために、熱リザーバ１１２にクライオクーラ１２０を熱的に接続させることがある。任意選択では、クライオクーラ１２０も同様に超伝導マグネット１１４と熱的に接続させることがある。クライオクーラ１２０と熱リザーバ１１２の間の熱的接続は、高熱伝導率材料から製作された熱接続体１７０を使用して実施されることが好ましい。典型的には、熱接続体１７０は銅から製作されている。しかし、超伝導マグネット１１４が過熱状態になるのを防止するのに十分な熱伝導率を備えた任意の材料を使用することができる。
【００１９】
本発明の別の態様では、クライオクーラ１２０と熱リザーバ１１２の間の熱接続はヒートパイプを用いて実施されている。ヒートパイプは、高伝導率をもつ材料から製作されると共にその内部にわずかな量の液体冷媒を有する密閉容器である。このヒートパイプは、熱リザーバ１１２と熱的接続した端部に冷媒が溜まるように構成されている。もう一方の端部はクライオクーラ１２０と熱的に接続させている。この冷媒は熱を吸収すると気化し、これによってクライオクーラ１２０と熱的接続した端部まで熱を搬送する。熱が取り去られると、冷媒蒸気は凝結してヒートパイプの側面に沿って流れ下り、これによってこのサイクルを再び開始させることができる。所望であれば、ヒートパイプを銅製のロッドと組み合わせて使用し、複合型熱接続体１７０を形成させることができる。
【００２０】
本発明の好ましい一実施形態によるＭＲＩシステム１００は１つの無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ１１０を含んでいる。この無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ１１０は、その内部に撮像ボリューム１５０が形成されるように組み上げられている。ＭＲＩシステム１００内にはさらに、対象の指定したボリュームに対する撮像を可能にする傾斜コイル１４０と、近傍の磁化された物体による外乱効果を低減させる鉄製パッシブシールド１３０と、を含むことが好ましい。本発明の一実施形態では、熱リザーバ１１２が、真空チェンバ１６０の内部で傾斜コイル１４０と鉄製パッシブシールド１３０の間に配置されている。さらに、この無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ１１０は真空チェンバ１６０内に密封されている。この真空チェンバ１６０は、ＭＲＩシステム１００の残りの部分及び環境から熱リザーバ１１２を隔絶させ、これによって断熱を提供している。
【００２１】
本発明の別の好ましい実施形態では、その熱リザーバ１１２は鉄製パッシブシールド１３０の外部であるが依然として真空チェンバ１６０の内部に配置させている。すなわち、ある具体的な超伝導ＭＲＩ設計では、鉄製パッシブシールド１３０と超伝導マグネット１１４の間の空間を比較的狭くすることを要求することがあり、この場合熱リザーバ１１２のための有効熱質量を得るにはこの空間が小さすぎることがある。したがってこの実施形態では、熱リザーバ１１２は、鉄製パッシブシールド１３０を超える位置ではあるが熱接続体１７０を介して超伝導マグネット１１４と熱的接触するように配置されている。
【００２２】
熱接続体１７０は、十分な熱伝導率をもつ材料からなるロッドまたはブロック及び／またはヒートパイプとすることができる。さらに、熱接続体１７０は、超伝導マグネット１１４と接触させるために鉄製パッシブシールド１３０を貫通しているか、この周りを巡っている。本発明の態様の１つでは、クライオクーラ１２０を熱リザーバ１１２及び超伝導マグネット１１４に接続させるために１つの熱接続体１７０を使用することがある。本発明の別の態様では、クライオクーラ１２０を熱リザーバ１１２に接続するため、並びにクライオクーラ１２０を超伝導マグネット１１４に接続するために、別々の熱接続体１７０が使用されることがある。
【００２３】
本発明の別の好ましい実施形態では、そのＭＲＩシステム１００は、２つの無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ１１０を含んでいる。本発明のこの実施形態では、各無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ１１０が超伝導マグネット１１４を含んでいる。この実施形態の一態様では、各無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ１００はそれぞれ１つの熱リザーバ１１２を含んでいる。この実施形態の別の態様では、この２つの無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ１１０は単一の熱リザーバ１１２と熱的に接続されている。
【００２４】
上で検討したＭＲＩシステム１００以外に、この超伝導マグネット・アセンブリ１１０は別の磁気システムで使用することもできる。例えば、本発明の追加的な実施形態には、磁気セパレータ、モータ及び発電機が含まれる。
【００２５】
本明細書では、好ましい実施形態を例示を目的として列挙している。しかし、この記述は本発明の範囲に対する限定と見なすべきではない。したがって、当業者であれば特許請求した発明の構想の趣旨を逸脱することなく、様々な修正形態、適応形態、及び代替形態を生じさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の好ましい実施形態によるＭＲＩの概要図である。
【符号の説明】
【００２７】
１００  ＭＲＩシステム
１１０  無冷媒超伝導マグネット・アセンブリ
１１２  熱リザーバ
１１４  超伝導マグネット
１２０  クライオクーラ
１３０  鉄製パッシブシールド
１４０  傾斜コイル
１５０  撮像ボリューム
１６０  真空チェンバ
１７０  熱接続体
【図１】
2005101613.tif 000004
【外国語明細書】
2005101613000001.pdf