(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温容器の内部をガス排出経路に接続する制御弁（４２）と、
少なくとも１つのセンサ（３２、３４）からデータを受信し、それによって前記弁を制御するようになされたコントローラ（３０）とを備える、極低温容器からの極低温ガスの流出を制御するための装置（４２、３０、３２）であって、
前記弁は、前記ガス排出経路内のガス圧力を超える前記極低温容器内のガス圧力が前記弁に作用して前記弁を開き、極低温ガスの通気を可能にするようになされ、また前記ガス排出経路内のガス圧力より低い前記極低温容器内のガス圧力が前記弁に作用して前記弁を閉じさせ、それによって前記極低温容器内へのガスの流入を制限するようになされ、
前記制御弁は、付勢されたときに開き、付勢されないときに閉じるソレノイド弁であり、
前記ソレノイド弁は、駆動コイル（４４）と、弁要素を駆動する、または弁要素として機能するアーマチュア（４６）と、前記弁要素を弁座（５０）に押し付けるスプリング（５２）とを備え、前記駆動コイル（４４）とアーマチュア（４６）とスプリング（５２）とが、前記ガス排出経路のガス空間内に組み込まれてなる装置において、
前記極低温容器からの排出ガスの前記ソレノイド弁への流入方向と、前記アーマチュア（４６）の軸方向とが同一方向であって、かつ、前記弁要素の弁座当接面と、前記排出ガスの前記ソレノイド弁への流入面とが対向配置されることによって、前記極低温容器内の圧力が前記極低温容器の外部の圧力よりも高い場合、前記極低温容器内の圧力が前記アーマチュア（４６）と弁要素に弁を開く方向に作用し、前記外部の圧力よりも低い場合、前記外部の圧力が前記アーマチュア（４６）に弁を閉じる方向に作用することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記コントローラは、前記極低温容器内のガス圧力を示すデータを受信するようになされ、また前記極低温容器内において所望範囲内のガス圧力を与えるために前記制御弁を制御するように更になされる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記コントローラは、前記ガス排出経路を通るガス流量を示すデータを受信するようになされ、また前記ガス排出経路を通るガス流量を所望の値範囲内にするために前記制御弁を制御するように更になされる、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記コントローラは、前記制御弁を可変デューティサイクルによって周期的に開閉することによって前記弁を制御する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の前記極低温容器からの極低温ガスの流出を制御するための装置（４２、３０、３２）を備えた極低温容器（１２）内に取り付けられた超電導磁石（１０）を備える、ＭＲＩ画像形成のための磁石システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器内のガス圧力と容器からのガス流とを調整するための装置に関する。本発明は特に、ＭＲＩ画像形成システムにおける超電導磁石コイルを冷却することで知られているような極低温容器内のガス圧力および極低温容器からのガスの流れの制御のためのガス流制御弁の適切な選択および装置による受動的過大圧力および過小圧力防護に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、クライオスタット内に収容されたＭＲＩ画像形成磁石の断面を概略的に示す。
当分野で周知のように、このような装置は典型的には、極低温液体１４で部分的に満たされた極低温容器１２内に吊り下げられた、形成体（図示せず）上に取り付けられた１セットの超電導コイル１０を備える。この極低温液体は、その沸点がコイル１０に使用されているワイヤの超電導転移温度より低くなるように選択される。
この極低温容器を外側真空容器ＯＶＣ１６が取り囲む。ＯＶＣの内面と極低温容器の外面との間の空間１８は、対流による極低温容器への熱流入を減らすために排気される。輻射による極低温容器への熱流入を減らすために、この排気された空間には１つ以上の熱輻射シールド１９が設けられ得る。熱流入を更に減らすために、この排気された空間内にはアルミニウム被覆されたポリエステルシート１９ａといった固体断熱層も設けられ得る。支持・懸架部材２０の注意深い設計は、伝導による極低温容器への熱流入を減らす。
【０００３】
コイル１０には、アクセスタレット２４を通して極低温容器内につながる電流リード２２によって電流が供給される。アクセスタレットはまた、典型的には極低温ガスが逃げるための通気経路２５を備える。コイル１０を備える磁石の動作状態に依存して、幾つかの理由から極低温ガスが逃げることを可能にすることは必要である。本発明は、極低温ガスの通気を可能にするために設けられた装置に関する。
極低温ガスの通気を必要とする状況の幾つかの例は次のとおりである。動作時に極低温容器１２は、空気進入に対して密閉された状態になくてはならないが、極低温容器内のガス圧力は超電導コイルのための正しい熱環境を維持するように正確に制御されなくてはならない。
【０００４】
すべての正常動作状態時（極低温冷媒充填時、ランプ（電流導入）時、および現場での動作時）における極低温ガス排気の制御は、直接作動する機械弁を使用して達成され得る。このような機械弁によって必要な制御精度を達成することは、困難で高価であることが分かっている。この不十分な制御によれば、結果的に増加するクウェンチの危険と増加する極低温冷媒損失と共にランピング（電流導入）時の理想以下のコイル温度につながる。
【０００５】
機械式通気弁は、弁のプレートの開放を調整するためにガス圧力とスプリング力とのバランスに依存する。このタイプの弁の動作力は小さくて、その結果、性能は、スプリング力，摩擦，動作温度および製造許容誤差の範囲の僅かな変化に敏感である。これらの影響を減らすために高価な較正および調整技法が使用されるが、それにもかかわらず圧力制御性能はこのアプリケーションによりわずかに改善されるが信頼性は不十分である。
【０００６】
このような弁の例は、極低温容器内の圧力がスプリングによって与えられたバイアス力を超えるために十分な量だけ弁の他方側の圧力を超えたときに開く、単純なスプリング弁を含む。この弁は、極低温容器側の圧力の超過によって開かれ、また極低温容器の圧力に対抗して作用するスプリングによって閉じられる。極低温容器内の過大圧力の場合、圧力は極低温容器から極低温ガスを排気するようにスプリングに対抗してこの弁に作用する。極低温容器内の圧力が弁の他方側の圧力より、典型的には大気圧より低く降下した場合、この圧力は、弁を堅く閉じた状態に保持して極低温容器への望ましくない空気の進入を防止するようにスプリングに支持された弁に作用する。このようにして受動的過大圧力および過小圧力防護が与えられる。
【０００７】
このような弁を開くために必要とされる極低温容器の内部圧力は、外部の影響にしたがって変化し得る。例えば単純スプリング弁を開くために必要とされる極低温容器絶対圧力は、弁の「下流」側に作用する大気圧によって変化する。極低温容器内で、ある一定の絶対圧力を維持するために動作するようにこのような機械弁を設計し、意図することができたとしても、弁を開くために必要とされる絶対圧力の変化は起こる。この影響は、弁の僅かに異なるバージョンの選択を行うことによって軽減することが可能であり、動作時の極低温容器によって経験される予測される大気圧と周囲温度とにしたがってこのような弁のある範囲から的確な弁タイプが選択され得る。これは、設置のための正しい弁を選択するために多数の弁タイプと適当な装置とを必要とし、不便であることは無論である。
【０００８】
要約すると過去における大きな開発努力にもかかわらず、既存の直接作用する通気弁（弁プレートが容器内の圧力またはスプリングまたは同様のものによって直接操作される）は、ＭＲ画像形成装置および同様の装置の超電導磁石のために極低温容器圧力の正確な、あるいは最適化された制御を提供できない。要求の厳しい較正要件のために、このような弁は製造に費用がかかり、動作の信頼性が低い。
【０００９】
公知のＭＲＩ画像形成システムなどでは、また図１に示されるように、多数のセンサ３２、３４からデータを受信し、磁石内の電流の制御状態に在り、また定常状態動作におけるランプアップ時；画像形成時およびランプダウン時に、常に最適性能のために磁石システムの動作を制御する磁石管理システム３０を設けることが慣例である。
【００１０】
効果的で信頼性の高いオン／オフ動作を機械弁システムに与えることが困難であることは分かっている。弁要素または弁座上の少量の汚染物質でも、閉鎖位置において弁に漏洩を起こさせる可能性がある。他方、汚染物質は弁が完全に開くことを妨げる可能性がある。いずれの場合にも弁は、容器内の必要な圧力を維持できず、あるいは容器からの必要なガス流量を可能にできない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
したがって、極低温容器内の磁石の動作状態と既存の状態とを定義するデータへのアクセスを有する磁石管理システム３０のような知的コントローラを使用して制御される駆動装置を備えた弁４０によって、通気を制御することが提案されてきた。図１に示された例ではセンサ３２、３４は、極低温容器内の圧力と極低温容器から放出されるガスの流量とを示すデータを磁石管理システム３０に供給する。このような装置によって、減少するクウェンチのリスクと減少する極低温冷媒損失とを含む、結果的に得られる利点と共に、クライオジェン容器内の磁石動作状態および／または既存状態に適するように、極低温容器内の動作圧力と極低温容器からの排気ガス流量とを最適化することが可能である。
【００１２】
制御弁４０が操作され、それによって極低温容器内圧力は所望の値範囲内に高い信頼度で維持され得る、および／または内部の絶対圧力またはゲージ圧力がある一定値に達したときにガスの排気が行われ得る。極低温容器からの排気ガス流量の正確で予測可能な制御は、必要に応じて維持され得る。
【００１３】
極低温容器の空気／氷汚染のリスクを避けるために極低温容器１２内の圧力は通常、磁石管理システム３０によって、例えば絶対圧力あるいはゲージ圧力トランスジューサ３２によって与えられる圧力測定値にしたがって関連極低温冷凍機を制御することによって、大気圧より高く維持される。しかしながらランピング時には、極低温液体の増加した蒸発を可能にすることによって許容可能な磁石温度を維持するために，極低温容器内の更なる圧力上昇は厳しく制限されなくてはならない。これらの矛盾する要件の結果、極低温容器圧力の極めて正確な制御と測定は、通気弁４０と典型的にはコントローラ３０内に含まれる圧力制御システムとによって与えられることが必要とされる。
【００１４】
制御弁４０は、単純な周期的オン／オフ機能を持ち得る。正確な圧力制御は、弁の正確な較正の必要性をなくしながら弁のオン／オフ状態のデューティサイクルを変えることによって達成される。このような装置では、圧力測定とデューティサイクル調整とが小さな変動を補正するので、弁の正確な流動容量は特に重要ではない。例えば極めて単純な制御方法は、
（１）必要とされる極低温容器内絶対圧力＝ｘを設定し；
（２）通常設けられているセンサ３２から極低温容器内の実際の圧力ｐを検出し；
（３）ｐ＞ｘの場合、弁動作デューティサイクルの「開放」比率を増加させ；
（４）ｐ＜ｘの場合、弁動作デューティサイクルの「開放」比率を減少させるという方法にしたがって操作し得る。
【００１５】
ガス圧力よりもむしろガス流出流量の制御が必要とされる場合には、この制御方法は、同様に、
（１）極低温容器からの必要なガス流出流量＝Ｒを設定し；
（２）通常設けられているセンサ３４から、極低温容器からの実際のガス流出流量ｒを検出し；
（３）ｒ＜Ｒの場合、弁動作デューティサイクルの「開放」比率を増加させ；
（４）ｒ＞Ｒの場合、弁動作デューティサイクルの「開放」比率を減少させるという方法にしたがって操作し得る。
【００１６】
適当な制御信号と、必要とされる動作を与えるように制御信号を修正するための適当な装置とは、当業者によって簡単に導き出され得る。
【００１７】
弁に関して種々の制御戦略が可能であり、制御ユニットのソフトウエアで定義されることが可能である。このような装置の利点は、弁ハードウエアの不完全さが磁石管理システム３０のソフトウエアで補正され得ることである。制御ユニットは通常、極低温容器内の磁石と他の場所とに取り付けられた種々のセンサから、極低温容器絶対圧力および極低温液体レベルのようなパラメータを示すデータを受信する。当分野に精通する人々に明らかであるように、多数の動作状態および要件のいずれに関しても必要とされるような所望の値範囲内で極低温容器内の絶対圧力を制御するために、本発明の能動的制御弁を動作させるためのこのようなセンサによって与えられるデータを使用することができる。必要とされる弁制御は、極低温容器圧力の測定値に基づき得る。このような圧力測定値は、絶対圧力またはゲージ圧力（すなわち大気圧との相対圧力）のいずれかであることが可能であり、使用されるトランスジューサのタイプは、必要に応じて種々の動作条件での使用のために選択され得る。大気圧センサを設けることによって、極低温容器のゲージ圧力は制御され得る。代替として能動的制御弁は、所望の値範囲内にガス流出流量を維持するように動作させられ得る。
【００１８】
磁石管理システム３０によって生成される、ステップモータによって操作される弁のための制御信号は、当分野に精通する人々によって容易に導き出され得る。
【００１９】
現在のＭＲＩ画像形成磁石システムに関しては、システムのサイズを考えると１Ｈｚ未満の動作周期における周期的弁オン／オフ機能で、まったく十分であることが分かっている。特に、遥かに小さな極低温容器１２に関しては、弁動作のより高い周期が必要である。
【００２０】
典型的には弁要素は、ソレノイドによって直接動作させられる。図２は、極低温容器圧力または極低温ガス流出流量を制御するために設けられたソレノイド弁４２の従来の装置を示す。図２においてソレノイド弁４２は、駆動コイル４４と弁要素を駆動する、または弁要素として機能するアーマチュア４６とを備える。リード４８を通して駆動コイル４４に供給される電流の大きさおよび／または方向にしたがってアーマチュア４６は、弁要素を弁座５０に接触させるように、または弁座５０から離れさせるように動く。弱いスプリング５２は、ソレノイドが駆動されないときに弁を閉鎖するために弁要素を弁座の方に押しやる。スプリングはコイルスプリングとして概略的に図示されているが、必要に応じ、例えばリーフスプリング、円錐スプリング、ヘリカルスプリング、または変形可能なゴム部材といった弾性部材のような公知の如何なる弾性部材も使用可能である。図２では弁は、完全に開いた位置と完全に閉じた位置との間の中間位置に示されている。これは単に説明目的のためであって、ソレノイド弁のための安定位置を表すものではない。
【００２１】
図３Ａは、完全に開いた位置にある弁４２であって、駆動コイル４４に流れる駆動電流により弁が「駆動された」位置にあるソレノイド弁の典型的な状態にある弁４２を示す。
【００２２】
図３Ｂは、完全に閉じた位置にある弁４２であって、駆動コイル４４に電流が流れないことにより弁の「休止」位置にあるソレノイド弁の典型的な状態にある弁４２を示す。弁要素はスプリング５２によって；またおそらく重力によっても、弁座５０に接触するように押し付けられている。
【００２３】
図１に示されたようなシステムでは、制御システム３０は、駆動コイル４４の電流を適当に制御することによって弁４２を周期的に開閉するオン・オフ時間比（デューティサイクル）を変えるコントローラによって、所望の値範囲内に極低温容器１２内の圧力を、あるいは所望の値範囲内にガス流出流量を維持するように弁を制御する。適当に寸法決めされた弁と動作周期とを使用することによって、圧力の変化は近接した限界内に維持され得る。
【００２４】
極低温容器１２内における予測されない過大圧力の場合には、弁が閉じられている（図３Ｂ）間、この圧力は、弁座上の弁要素によって弁をその閉鎖位置に堅く押し付けるようにアーマチュア４６と弁要素との「上流」表面に作用する。これは極低温容器からの蒸発する極低温ガスの排気を妨げ、あるいは阻害して、おそらく極低温容器内の圧力の望ましくない上昇を引き起こす。このような圧力上昇は、ガスの温度上昇を引き起こし、それによってコイルの温度を上昇させ、クウェンチの危険を招く。
【００２５】
これに反して極低温容器１２内における過小圧力の場合には、弁が閉じられている（図３Ｂ）間、極低温容器内の圧力を極低温容器の外部の圧力より低くして、極低温容器の外部の圧力は弁を開放するようにアーマチュア４６と弁要素との表面に作用する。これは、極低温容器１２および／または通気経路２５への空気または他の汚染物質の望ましくない進入を可能にし得る。このような漏洩は、極低温容器が典型的には空気の主要成分の凝固点より十分に低い温度にあるので、回避されるべきである。空気またはその他の汚染物質の進入は、極低温容器１２および／または通気経路２５内に窒素および水といった凍結汚染物質の堆積を形成させる可能性がある。これは、極低温容器からの蒸発する極低温ガスの後刻の排気を阻害する、あるいは妨げる可能性のある閉塞を引き起こし、おそらく後に、極低温容器内の望ましくない圧力上昇および関連する温度上昇を引き起こす可能性がある。これは、閉塞によって満足に通気できない極低温冷媒によるクウェンチを引き起こし、極低温容器内の危険なほど高い圧力を引き起こす可能性がある。弁の固形汚染物質もまた圧力制御をより困難にする可能性があるが、磁石構造体の汚染物質はクウェンチを引き起こす可能性がある。
【００２６】
これらの理由から上記に論じられ、図２〜図３Ｂに示されたような制御ソレノイド弁の使用は従来技術では避けられており、また直接駆動の機械弁の使用は上記に論じられた欠点にもかかわらず現状でも続いている。
【００２７】
本発明は、極低温容器内における所望の圧力範囲を、または極低温容器からのガス流出流量を維持する際に制御ソレノイド弁の適用可能性を制限するこれらの問題の解決を図るものである。
【００２８】
このようにして本発明は、請求項に記載の装置を提供する。
【００２９】
本発明の上記の、および更なる目的と特徴と利点は、下記の付属図面に関連して単に例として与えられたある幾つかの実施形態の下記の説明を考慮すればより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ＭＲＩシステムの磁石を収容するクライオスタットの概略的断面図である。
【図２】クライオスタット通気装置に配置された従来装置におけるソレノイド弁の概略的断面図である。
【図３Ａ】完全に開いた位置における図２のソレノイド弁を示す図である。
【図３Ｂ】完全に閉じた位置における図２のソレノイド弁を示す図である。
【図４】クライオスタット通気装置に配置された本発明のソレノイド弁の概略的断面図である。
【図５Ａ】完全に開いた位置における図４のソレノイド弁を示す図である。
【図５Ｂ】完全に閉じた位置における図４のソレノイド弁を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明は、図４に示されたような極低温容器圧力または極低温ガス流量を制御するためのソレノイド弁４２の改善された装置を提供する。図２の装置に共通する特徴要素は、対応する参照数字を保持する。本質的に、図２のソレノイド弁装置の入口および出口ポートは、アーマチュア４６の従前の「上流」および「下流」表面が機能を交換するように逆にされる。図４に示された弁の位置は、単に説明目的のためであって、ソレノイド弁の安定位置を表すものではない。
【００３２】
図５Ａは、駆動コイル４４に流れる駆動電流によるソレノイド弁の「駆動された」または付勢された位置のソレノイド弁の典型的な位置であって、完全に開いた状態の図４の弁４２を示す。
【００３３】
図５Ｂは、駆動コイル４４に電流が流れないことによるソレノイド弁の「休止」または付勢されない位置のソレノイド弁の典型的な位置であって、完全に閉じた状態の図４の弁４２を示す。弁要素は、スプリング５２によってまたおそらくは重力によっても弁座５０に接触するように押し付けられる。
【００３４】
本発明の特定の利点によれば、図４〜図５Ｂに示された弁装置は好都合にも、受動的過小圧力および過大圧力防護を与える。
【００３５】
極低温容器１２内における予測されない過大圧力の場合には、弁が閉じられている間（図５Ｂ）、極低温容器内の圧力は、アーマチュア４６と弁要素とに作用して、弁座から離れるように弁要素を押し付けて弁を開く。これは、極低温容器からの蒸発する極低温ガスの通気を可能にして、極低温容器内の圧力の望ましくない上昇を防止する。
【００３６】
これに対して極低温容器１２内における過小圧力の場合には、弁が閉じられている間（図５Ｂ）、極低温容器内の圧力を極低温容器の外部の圧力より低くして、極低温容器の外部の圧力はアーマチュア４６に作用して弁要素を弁座に押し付け、それによって弁をより堅く閉じる。これは、極低温容器１２および／または通気経路２５内への空気の望ましくない進入を防止または少なくともより制約する。
【００３７】
このようにして本発明は、極低温容器内の過大圧力および過小圧力の両事象に対する効果的な受動的防護を提供する。これらの理由から上記に論じられ、図４〜図５Ｂに示されたような制御ソレノイド弁の使用は、ＭＲＩシステムの磁石のための超電導コイルを冷却するために使用されるような極低温容器内の圧力および／または極低温容器からのガス流出量の能動的制御を与えるために、安全に使用され得る。このようにして、上記に論じられた能動的弁制御の利点は、極低温容器内における空気進入のリスクまたは望ましくない圧力上昇なしで達成され得る。
【００３８】
高いけれども安全な圧力で極低温容器圧力が弁座５０から弁要素を引き上げることを可能にし、それによって受動的過大圧力安全弁機能を与えるために、スプリング５２の負荷および弁座５０内のオリフィスのサイズの適当な選択が行われなくてはならない。
【００３９】
本発明は特定の実施形態、特に図２〜図５Ｂに示されたようなソレノイド弁を参照しながら説明されてきたが、本発明は、極低温容器内の過大圧力が弁に作用して弁を開き、極低温ガスの通気を可能にするようになされ、また極低温容器内の過小圧力が弁に作用して弁を閉じさせ、それによって極低温容器内へのガスの流入、特に空気の進入を制限するようになされた、任意の適当な制御弁によって具現され得る。弁は、弁要素を適所に機械的に固定せず、弁にかかる圧力差に応じて弁要素のある動きを可能にするタイプのものでなくてはならない。特に制御弁は、付勢されたときに開き、付勢されないときに閉じる空気圧動作弁であり得る。空気圧制御弁の利点は、これが完全に非磁性材料から構成されることが可能であって、電流を搬送しないことである。したがってこれにより、如何なる認められ得る程度にも被冷却磁石の磁界と干渉することはない。空気圧駆動は、ソレノイド弁といった電気制御弁を使用して操作され得るが、これらは磁界との干渉を避けるために磁石から比較的遠い距離に配置され得る。
【００４０】
極低温容器は、過大圧力および過小圧力の両者に対する安全防護を必要とする点で通常とは異なる。過大圧力および過小圧力の両者に対するこのような単純な受動的防護が従来は与えられなかったのに対し、本発明によれば、公知の制御ソレノイド弁装置の欠点を回避しながら、極低温容器圧力とガス流量とを制御するために制御ソレノイド弁が使用されることを可能にするという更なる利点を有する単純で効果的な防護装置を最小限の追加コストで提供することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  超電導コイル
１２  極低温容器
１４  極低温液体
１６  外側真空容器ＯＶＣ
１８  空間
１９  熱輻射シールド
１９ａ  アルミニウム被覆ポリエステルシート
２０  支持・懸架部材
２２  電流リード
２４  アクセスタレット
２５  通気経路
３０  磁石管理システム
３２、３４  センサ
４０  制御弁
４２  ソレノイド弁
４４  駆動コイル
４６  アーマチュア
４８  リード
５０  弁座
５２  弱いスプリング
【図１】
0005361525.tif 000002
【図２】
0005361525.tif 000003
【図３Ａ】
0005361525.tif 000004
【図３Ｂ】
0005361525.tif 000005
【図４】
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【図５Ａ】
0005361525.tif 000007
【図５Ｂ】
0005361525.tif 000008