(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍剤圧力容器内の圧力の関数として交流又は直流電動機速度を変えることによってクライオクーラ（１１６）のストローク周波数を調節する装置であって、
交流又は直流電動機速度を設定することによってクライオクーラ（１１６）についての初期ストローク・レートを設定するジェネレータと、
前記クライオクーラ（１１６）から離れた位置で前記冷凍剤圧力容器に配置され、該冷凍剤圧力容器内の測定圧力を測定する圧力センサ（１１２）と、
各動作サイクルにおいて測定圧力と設定圧力との間の圧力差を連続的に測定する差測定装置（２０６）と、
各動作サイクルにおいて前記測定した圧力差に基づく微分補償を使用して交流又は直流電動機速度によるクライオクーラ（１１６）についての必要なストローク・レート又は周波数調節値を算出する制御装置（１３０）と、
各動作サイクルにおいて前記ストローク・レート調節値を初期ストローク・レートと組み合わせて、クライオクーラ（１１６）の動作を最適にするために交流又は直流電動機速度を調節することによってストローク・レート又は周波数を調節する可変速度モジュール（２００）と、を有し、
前記可変速度モジュールは、測定圧力が設定圧力よりも高いときに交流又は直流電動機速度を増大させることによってクライオクーラ（１１６）ストローク・レートを増大させる機械的伝達装置を備え、
前記機械的伝達装置は、測定圧力が設定圧力より低いときにクライオクーラ（１１６）ストローク・レートを下げる減速力を印加する機械的減速手段を備える、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
冷凍剤圧力容器内の圧力の関数として一定速度電力駆動装置とクライオクーラ（１１６）ディスプレーサ／ピストンとの間の機械的伝達比を調節することによってクライオクーラ（１１６）ストローク速度を調節する装置であって、
クライオクーラ（１１６）について初期ストローク速度を設定するジェネレータと、
前記クライオクーラ（１１６）から離れた位置で前記冷凍剤圧力容器に配置され、該冷凍剤圧力容器内の測定圧力を測定する圧力センサ（１１２）と、
各動作サイクルにおいて前記測定圧力と設定圧力との間の圧力差を連続的に測定する差測定装置（２０６）と、
各動作サイクルにおいて前記測定した圧力差に基づく微分補償を使用して必要なストローク・レート調節値、従って調節済み機械的伝達比を算出する制御装置（１３０）と、
クライオクーラ（１１６）の動作を最適にするために前記ストローク・レート調節値に基づいて各動作サイクルにおけるクライオクーラ（１１６）ストローク・レートを変更する機械的伝達装置と、
を有し、
前記機械的伝達装置は測定圧力が設定圧力より低いときにクライオクーラ（１１６）ストローク・レートを下げる減速力を印加する機械的減速手段を備える、
装置。
【請求項３】
前記クライオクーラ（１１６）と再凝縮器（１２８）との間の熱インタフェースを提供する熱ガスケットを含んでいる、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記制御装置は更に、前記測定した圧力差の比例信号成分（３１０）と微分信号（３１４）成分と積分信号（３１２）成分との和としてストローク速度調節値を算出する比例積分微分制御装置（３１８）を含んでいる、請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
磁気共鳴イメージングに適した超伝導磁石コイルを含むゼロ・ボイルオフ冷凍剤冷却型再凝縮超伝導磁石アセンブリのクライオクーラ（１１６）を制御する方法であって、
クライオクーラ（１１６）内の交流電動機について初期ストローク速度（５０２）を設定する段階と、
前記クライオクーラ（１１６）から離れた位置で前記冷凍剤圧力容器に配置された圧力センサ（１１２）を使用して、前記冷凍剤圧力容器内の測定圧力を測定する段階と、
各動作サイクルにおいて冷凍剤圧力容器（１０６）における測定圧力（１１２）と設定圧力との間の圧力差を連続的に測定する段階と、
各動作サイクルにおいて前記測定した圧力差に基づく微分補償を使用して交流電動機についての必要なストローク速度調節値を算出する段階（５０６）と、
各動作サイクルにおいてそれぞれ前記ストローク速度調節値（５０６）を前記交流電動機の初期ストローク速度（５０２）と組み合わせる段階（５０８）と、
クライオクーラ（１１６）の動作を最適にするために前記組み合わせた初期ストローク速度と交流電動機についての調節したストローク速度とに基づいて交流電動機のストローク速度（５１０）を調節する段階と、
を含み、
前記調節する段階は、交流電動機の速度を変更することによってストローク・レート（５１０）を変更するために可変速度モジュール（２００）によって実行され、
前記可変速度モジュールは、測定圧力が設定圧力よりも高いときに交流電動機速度を増大させることによってクライオクーラ（１１６）ストローク・レートを増大させる機械的伝達装置を備え、
前記機械的伝達装置は、測定圧力が設定圧力より低いときにクライオクーラ（１１６）ストローク・レートを下げる減速力を印加する機械的減速手段を備える、
方法。
【請求項６】
前記算出したストローク速度調節値（５０６）は更に、前記測定した圧力差の比例信号成分（３１０）と微分信号（３１４）成分と積分信号（３１２）成分との和を含んでいる、請求項５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に云えば、スターリング(Stirling)、ギフォード−マクマホン（Gifford-McMahon ；ＧＭ）及びパルス管（ＰＴ）冷却器システムに使用されるように構成された制御装置に関し、より具体的には、ゼロ・ボイルオフ超伝導磁石アセンブリに加えられるガス流の冷却器振動周波数を（スターリング及びＧＭの場合は冷却器ピストン／ディスプレーサのストローク周波数により）制御するための制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のシステムでは、超伝導磁石は、クライオスタット（極低温槽）又は圧力容器内に磁石を密閉し、また冷却のために液体ヘリウムのような液体冷凍剤(cryogen) で磁石を取り囲むこと等によって、極低温環境内に置かれたときに超伝導状態になる。
【０００３】
ゼロ・ボイルオフ４．２Ｋ磁石冷却システムが、簡単に云えば、クライオスタット内に一体化され且つ４０Ｋ〜７０Ｋの範囲の温度を持つ輻射遮蔽体を備えた真空絶縁液体ヘリウム槽と、飽和したヘリウム・ガスを液体に再凝縮して、該槽を４．２Ｋ程度の飽和動作状態にする液体ヘリウム再凝縮システムとで構成されている。ヘリウム槽には、構造支持体を介して伝導される熱とその周囲からの輻射との組合せによって生じる熱負荷がかかる。再凝縮システムは、このように加えられる熱負荷を克服して、飽和した平衡状態を達成できるものでなければならない。再凝縮システムの主要な構成部品はクライオクーラ（極低温冷却器）であり、これは冷凍剤と熱接触した熱交換器に通じるこのシステムのヒートシンク又は熱除去源である。現在のヘリウム・ゼロ・ボイルオフ・システムは、構成部品製造プロセスの変動に起因した可変の熱負荷状態を克服し、構成部品の配置方向に起因した性能劣化を克服し、そして構成部品の寿命の終わりにおける熱負荷要件を満足することができるように過剰な冷却能力を持っているクライオクーラの設計に基づいたものである。
【０００４】
従来のクライオクーラは、正常な定常状態（圧力及び温度）動作状態中に、液体ヘリウム槽及び輻射遮蔽体（２段システムの場合）から一定のレート(rate)で熱を除去して、ガスの再凝縮を保ち、従って液体ヘリウムを飽和した状態に維持する。典型的なクライオクーラの選択及び使用は所与の温度における部品の最大冷却能力によって促進され、最大冷却能力は（クライオクーラ・ディスプレーサ／ピストンの一定のストローク周波数による）ガス流の最適な一定の振動周波数により達成される。最大冷却能力を得るために設計された高い振動レートはクライオクーラの封止部品の摩耗を増大させ、これは部品の寿命の低下を招く。磁石製造部品のばらつき及び部品の冷却動作（過渡的状態）のために、冷却器による高い熱負荷除去（最大冷却能力の動作状態）が要求されるが、システム（環境、輻射遮蔽体、クライオクーラ及び冷凍剤槽）が定常状態を達成するので、冷却能力要件は低減される。クライオクーラの冷却能力は変更できないので、クライオクーラ冷却能力が過剰である場合、それに対して、冷凍剤圧力容器内に電気ヒータによって付加的な熱を与えることにより釣り合いをとっている。電気ヒータは低及び高設定圧力限界によって作動され、圧力容器内に圧力振動を生じさせる。
【０００５】
冷凍剤圧力容器内の大きな圧力変化は超伝導磁石コイルに振動応力を生じさせて、磁界の均一性に影響を及ぼし、従ってＭＲＩ超伝導磁石の画像品質に影響を及ぼす恐れがある。本発明では、超伝導ＭＲＩ磁石システムのためのより安定な圧力環境を提供する。
【０００６】
上記の理由のため、及び本明細書を読んで理解したときに当業者には明らかになるような以下に述べる他の理由のため、当該分野では可変の熱負荷容量を持つクライオクーラが要望されている。また、磁気共鳴イメージングに適した超伝導磁石コイル含むゼロ・ボイルオフ冷凍剤冷却型再凝縮超伝導磁石アセンブリにおいてクライオクーラを制御するための改良方法及び装置も要望されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本書では、上記の短所、不利益及び問題を解決しようとするものであり、それらは以下の説明を読み且つ検討することによって理解されよう。
【０００８】
従って、本発明の目的は、超伝導磁石の可変の冷却要件を満たすようにクライオクーラ・ディスプレーサ／ピストンのストローク周波数（ガス流の振動周波数）を能動調節する装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一面においては、交流誘導電動機又は直流電動機駆動型クライオクーラのクライオクーラ・ディスプレーサ／ピストンのストローク・レートを調節する装置を提供し、該装置では先ず初期ストローク周波数について電動機を設定する。比例積分微分（ＰＩＤ）制御装置により、ストローク・レートを調節するための初期電動機レートに対する調節値を、所定の設定圧力と液体冷凍剤槽内の実際の圧力（液体飽和状態）との差から決定する。次いで、可変レート・モジュールを用いて、ＰＩＤ制御装置による調節値に基づいてストローク周波数を増減する。
【００１０】
別の面では、クライオクーラ・ディスプレーサ／ピストン周波数を調節するためのクラッチ又は歯車箱のような可変の機械的伝達比を用いて、一定速度の電動機によって駆動されるクライオクーラ・ディスプレーサ／ピストンのストローク周波数を調節する装置を提供し、該装置では先ず所与の電動機速度及び機械的伝達比に基づいてクライオクーラについての初期ストローク・レートを設定する。比例積分微分（ＰＩＤ）制御装置により、初期ストローク周波数についての調節値を、所定の設定圧力と液体冷凍剤槽内の実際の圧力（液体飽和状態）との差から決定する。ストローク周波数と機械的伝達比との間の伝達関数を使用して、伝達比調節値を決定する。次いで、クラッチ又は歯車の様な機器についての機械的伝達比の変更を用いて、ＰＩＤ制御装置による調節値に基づいてストローク周波数を増減する。
【００１１】
また別の実施形態では、磁気共鳴イメージングに適した超伝導磁石コイルを含むゼロ・ボイルオフ冷凍剤冷却型再凝縮超伝導磁石アセンブリにおける可変冷却能力クライオクーラを提供し、該クライオクーラは、超伝導動作のために磁石コイルを極低温にするための圧力容器又は液体冷凍剤槽を収容する密閉真空容器と、圧力容器を取り囲み且つ冷凍剤圧力容器から離間して配置された（環境からの熱の侵入を低減して液体冷凍剤の蒸発を低減する）輻射遮蔽体と、磁石コイルに与えられた極低温から生じる第１のレートで冷凍剤圧力容器から熱を除去することのできる熱交換器を備えた可変冷却能力クライオクーラと、圧力変化を検知するために冷凍剤圧力容器に配置された圧力センサとを含む。冷凍剤槽内の圧力値（飽和状態）に基づいてクライオクーラの熱除去レートを制御するための制御装置ユニットが設けられ、その場合、クライオクーラの熱除去レートの変化が圧力変化に比例する。この実施形態では、クライオクーラ熱除去レートはディスプレーサのストロークのパルス周波数に比例し（ＧＭ及びスターリング・クライオクーラの場合）、一般的にはクライオクーラ内のガス流の振動周波数に比例する（これは、パルス管技術のような他の冷却器に適用可能である）。
【００１２】
更に別の面では、磁気共鳴イメージングに適した超伝導磁石コイルを含むゼロ・ボイルオフ冷凍剤冷却型再凝縮超伝導磁石アセンブリのためのクライオスタットの液体冷凍剤槽熱負荷を制御する方法を提供し、該方法では、クライオクーラ（単一段又は二重の段）によってクライオスタットから第１の熱除去レートで熱を除去する行為と、冷凍剤圧力容器内の圧力を表す圧力信号を決定する行為と、該決定した圧力信号と設定圧力信号との間の差を表す圧力差信号を算出する行為と、該算出した圧力差に基づいて第１の熱除去レートに対する調節値を算出する行為と、該算出した調節値を第１の熱除去レートと組み合わせて調節済み熱除去レートを生成する行為と、該調節済み熱除去レートでクライオスタットから熱を除去する行為と、冷凍剤圧力容器内の圧力を表す圧力信号を決定する行為とを実行する。本方法はまた、小さなシステム同調(tuning)のため、又は前記決定した圧力が所定の値（典型的には、大気圧）よりも低い場合に、電気ヒータを使用して液体冷凍剤槽に熱を加える能力も含んでいる。
【００１３】
本書では様々な範囲の装置、システム及び方法を記述する。本項目で述べた面及び利点に加えて、更なる面及び利点が図面を参照し且つ以下の詳しい説明を読むことによって明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下の詳しい説明では、その一部を形成する添付図面を参照する。図面には、実用化することのできる特定の実施形態を例として示している。これらの実施形態について、当業者が該実施形態を実用化することができるように充分詳しく説明する。また、他の実施形態を利用することができること、並びに実施形態の範囲から逸脱することなく論理的、機械的、電気的及びその他の変更を行うことができることを理解されたい。従って、以下の説明は、限定を表すものと解釈されるべきではない。
【００１５】
詳しい説明は５つの部分に分けてある。第１の部分では、システム全体の概要を説明する。第２の部分では、実施形態の装置を説明する。第３の部分では、ハードウエアと、様々な実施形態を実施することができる動作環境とを説明する。第４の部分では、実施形態の方法を説明する。最後に、第５の部分では、詳しい説明の結論を提供する。
【００１６】
［システム全体の概要］
先ず図１について説明すると、ＭＲＩゼロ・ボイルオフ超伝導磁石システム１００は、ヘリウムのような液体冷凍剤を収容していて、真空容器又はクライオスタット１０２によって取り囲まれているヘリウム圧力容器１０６を含み、ヘリウム容器と真空容器又はクライオスタット１０２との間には熱絶縁輻射遮蔽体１０４が配置されている。クライオクーラ１１６（これはスターリング、ギフォード−マクマホン（ＧＭ）及びパルス管（ＰＴ）クライオクーラであってよい）がスリーブ１２４内で真空容器１０２を通って延在して、真空容器１０２内の真空を破壊することなくクライオクーラの低温端をスリーブ内に選択的に位置決めすることができ、且つクライオクーラの電動機又は電力駆動装置１１８によって発生される熱が真空容器の外側になるようにする。外部クライオクーラ・スリーブ・リング（図示せず）が真空容器１０２及び他のハードウエアの外側に延在して外側クライオクーラ・スリーブを真空容器又はクライオスタット１０２に固定できるようにする。クライオクーラ１１６はスリーブ・アセンブリ（図示せず）内に設置されて、ボルト及び関連する座金により固定される。通常、クライオクーラ１１６の上側サブマージ部分１２０（クライオクーラ第１段）が銅であり、第１段熱スリーブ又はヒートシンクが、輻射遮蔽体を４０〜７０Ｋの温度範囲内に冷却するために編組銅の可撓性熱結合部及び銅の熱ブロックを介して絶縁輻射遮蔽体１０４に熱的に接続されている。これによりヘリウム容器１０６と真空容器１０２との間に熱絶縁が構成される。懸架部品１１０がまた、クライオクーラ１１６と輻射遮蔽体１０４との間に機械的及び振動絶縁を構成する。クライオクーラ１１６の下側サブマージ部分（クライオクーラ第２段）がインジウムのガスケットを含んでいて、該インジウムのガスケットの反対側に配置されたヒートシンクに対して温度障壁を構成する。
【００１７】
銅ような高熱伝導度材料で作られたヘリウム再凝縮室１２８が下方へ延在している。ヘリウム再凝縮室１２８は、ヒートシンクと熱接触する複数の平行な熱伝達板又は面を含んでおり、これらの板の面の間にはヘリウム圧力容器１０６からのヘリウム・ガスを通過させるための通路が形成されている。ヘリウム・ガス１２６は、磁石コイル・システム１００に極低温を与える際の液体ヘリウムの沸騰により液体ヘリウム表面レベル１０８の上方に形成される。ヘリウム・ガス１２６はヘリウム容器１０６の壁を通過し、次いでヘリウム・ガス通路を通ってヘリウム再凝縮室又はキャニスタ(canister)１２８の上側部分の内部へ至る。再凝縮器１２８内の熱伝達板は、これらの板の間を通るヘリウム・ガス１２６が凝縮して液体ヘリウムになってヘリウム再凝縮室１２８の一領域１２０内に収集されるように、管理可能な温度に冷却される。この再凝縮後の液体ヘリウムは重力によりヘリウム戻り管路を通ってヘリウム容器１０６内の液体ヘリウムへ流れる。その結果、ＭＲＩ磁石システムの動作中、液体ヘリウム１０８がＭＲＩ分野で周知のように超伝導磁石コイル・アセンブリを超伝導温度まで冷却し、構造支持体及び流れ管路を介しての固有の輻射及び伝導熱負荷により液体ヘリウム１０８の沸騰が生じて、ヘリウム表面レベル１０８の上方にヘリウム・ガス１２６が生成される。酸化ルテニウムの極低温センサ（図示せず）が、再凝縮器システムの温度を検知するために温度障壁ヒートシンクに近接する再凝縮器システムの表面上に配置される。センサの出力信号は制御装置１２２によって処理されて、同調及びシステム・ダンピングを保証するように、ヘリウム容器１０６に結合された条片状電気ヒータ１１４に制御信号を供給する。
【００１８】
好ましい実施形態のクライオクーラ１１６は、真空室１０２から熱を除去するために少なくとも１つの電力駆動装置（電動機）を有する。パルス管クライオクーラの場合、弁本体がクライオクーラの膨張収縮ヘリウム・ガス・パルス振動周波数を駆動する。ＭＲＩ磁石システム１００によって使用されるクライオクーラ１１６の種類に拘わらず、その主な機能は、ＭＲＩ磁石システムを許容可能な温度及び圧力範囲内に維持するようにヘリウム圧力容器１０６及び遮蔽体１０４から熱を除去することである。クライオクーラ１１６の熱負荷容量はパルス周波数につれて変化し、最大周波数で最大容量を持つ。現在のゼロ・ボイルオフ・システムは、そのクライオクーラ１１６が、構成部品製造プロセスの変動に起因した可変熱負荷状態と、構成部品の配置方向に起因した性能劣化とを克服するために、且つ構成部品の寿命の終わりにおける熱負荷要件を満足させることができるようにするために、過剰な冷却能力を持つように設計されている。典型的なＧＭクライオクーラ１１６は、正常な動作中、液体ヘリウム槽から熱を一定のレートで（４．２Ｋで１．２Ｗ）除去して、液体ヘリウムを飽和状態に保つ。ヘリウム容器１０６に対する固有の負荷は平均０．７５Ｗであるので、クライオクーラによる冷却能力が過剰であり、このため、システムの入出力エネルギを釣り合わせて圧力容器１０２についての望ましくない内部状態（大気圧より低い飽和圧力）を避けるようにする付加的な熱入力が必要とされている。実際に、現在のシステムでは、クライオクーラの過剰な冷却能力を補償するために、場合によってはシステムの飽和圧力を大気圧より高く維持するために、付加的なヒータを用いてシステムに周期的に熱を加えている。クライオクーラを一定の最大冷却能力で動作させると、クライオクーラの構成部品、特に封止部品の期待寿命が短くなる。
【００１９】
このため、クライオクーラの冷却能力を、ヘリウム容器にかかる熱負荷の要件又は要求と合致させ、すなわち同調させる調整装置が必要である。実施形態によっては、ヘリウム槽１０６についての熱要件により合致するより低い冷却能力のクライオクーラを使用することによって冷却能力を低減するが、寿命末期の構成部品の性能が影響を受ける。可変冷却能力クライオクーラを達成する方法を本書に記述するが、該方法では、入力電力駆動装置とクライオクーラ可動部品（ディスプレーサ／ピストン）との間に歯車及び摩擦クラッチのような機械的減速手段を付加し、電力駆動装置の一定速度をクライオクーラ端で可変にして、可変のストローク周波数、従って可変の冷却能力を提供する。他の方法は、クライオクーラ可動部品に直接連結させた、可変の出力速度を持つ電力駆動装置（交流誘導電動機、直流歩進電動機）を使用することを含む。ＭＲＩ磁石システム１００は、可変熱負荷容量クライオクーラについての当該分野における要望を解決する。
【００２０】
ＭＲＩ磁石システム１００は圧力センサ１１２を含み、圧力センサ１１２は、圧力制御装置１２２によって使用されると共に、可変速度モジュール１３２を使用することによってクライオクーラ１１６のパルス周波数又はストローク・レートを調整するように制御装置１３０によって使用される。
【００２１】
［装置］
可変速度モジュール１３２は図２のシステム２００によってより詳しく説明する。本書で用いる「可変速度モジュール１３２」は、ストローク周波数、ストローク・レート、又は電動機のような可動部材の速度を調整することのできる任意の既知の又はこれから開発される回路又はモジュールを含む。電力駆動装置２０２には速度測定装置２０４が設けられており、速度測定装置２０４は電動機回転シャフト（図示せず）に隣接して装着される。装置２０４は電気導体を介して組合せ装置２０６に接続されていて、制御装置１３０からの調節信号と組み合わされときに電動機の速度を調整するための電動機速度の直接帰還信号源を構成する。クライオクーラが最初にターンオンされるとき、初期速度２０８が電力駆動装置２０２について、従ってクライオクーラ・ピストン・ストローク周波数に対して設定される。実施形態によっては、初期速度はシステムについての冷却方策内に適合する任意の速度である。例えば、初期速度はヘリウム槽１０６についての最大熱要件（磁石の冷却）で設定され、或いは初期速度は電力駆動装置−クライオクー・ラシステムの公称デューティサイクルの半分に設定されて、ヘリウム槽１０６の実際の要件まで徐々に引き上げられる。実施形態によっては、電力駆動装置２０２が定常状態に達するまで又は初期速度になるまでの時定数はシステムが熱平衡に達するまでの時定数に比べて小さいので、初期速度信号はゼロに設定することができ、速度は制御信号２１０及び装置２０４からの速度測定装置信号によって調整される。代替態様では、速度測定装置２０４を除去し、速度調整信号は初期速度信号２０８と制御装置からの調節信号２１０との組合せにする。実施形態によっては、初期速度信号２０８及び調節信号２１０のみが、電力駆動装置の速度を調整するために使用される。
【００２２】
電動機２０２の速度又はストローク・レートを調整するために使用される調節信号を発生するための制御装置について、図３のシステム３００を参照して説明する。システム３００は、圧力センサ１１２からの測定圧力３０２と設定圧力３０４との間のさである圧力（飽和状態）差３０６を連続的に計算する。計算した圧力差は、次いで、測定圧力信号３０２内に存在する高周波ノイズを除去するために低域通過フィルタ３０８によってフィルタリングされる。フィルタリングされた圧力差は、次いで、（以下に説明する）制御システム３００内の比例積分微分（ＰＩＤ）制御装置モジュール３１８に印加されて、各々の動作サイクルにおいて、制御システムについて当該分野で周知の態様で、比例信号成分３１０、積分成分３１２及び微分成分３１４を発生するように処理される。従来のディジタル制御装置では、その出力は通常、以下の３つの項、（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を含む、比例積分微分アルゴリズムを表す方程式によって、サンプリング時点に差信号３１６から計算される。
【００２３】
（Ａ）比例項  Ｋｐｅｎ  ；  ここで、Ｋｐ  は一定であり、比例利得要素である。
【００２４】
（Ｂ）差又は微分項  ＫＤ  （ｅｎ−ｅｎ−１）Ｔ；  ここで、ＫＤ  は一定であり、微分時間であり、Ｔはサンプリング周期である。
【００２５】
（Ｃ）和又は積分項；これはサンプリング周期Ｔを持つ矩形積分のような周知の積分技術を使用することによって得ることができる。
【００２６】
ＰＩＤ制御装置モジュール３１８の出力は、微分利得ＫＤ  を持つ微分項を乗算し、積分利得ＫＩ  を持つ積分項を乗算した後の、これらの３つの項の値の和である。サンプリング周期Ｔ、比例利得Ｋｐ  、微分利得ＫＤ  及び積分利得ＫＩ  の適切のパラメータ値は、制御しているプロセスに依存し、適正な値に対するこれらの定数の調節は同調によって達成される。
【００２７】
短期システム安定度を達成するために微分補償が使用され、微分項は反復的に以前に得られた圧力差サンプルを現在の圧力差から減算することによって生成される。圧力差をゼロに減じることによって、長期システム安定度を達成するために積分補償が使用される。積分は、或る時間にわたって幾つかのエラー・サンプルを累積し、それらの和に積分利得を乗算することによって達成される。
【００２８】
所要のストローク・レート又は周波数調節値２１０は、ＰＩＤ制御装置モジュール３１８内で、３つの信号の和、すなわち、フィルタリングされた圧力差に比例する比例信号成分３１０と、短期安定度のためにフィルタリングされた圧力差の微分に比例する微分信号成分３１２と、長期安定度のためにフィルタリングされた圧力差の積分に比例する積分信号成分３１４との和として計算される。３つのＰＩＤ項の和は更に低域通過フィルタに通すことができる。微分信号、比例信号及び積分信号に使用される一定のパラメータは、所望の整定時間及び冷却能力精度要件を満たすために各々の個別のクライオクーラについて特別に同調させる。
【００２９】
［ハードウエア及び動作環境］
図４は、異なる実施形態を実施することができるハードウエア及び動作環境４００のブロック図である。図４では、コンピュータ・ハードウエアの概要と、それに関連して幾つかの実施形態を具現化することができる適当な計算環境とを説明する。実施形態はコンピュータ実行可能な命令を実行するコンピュータに関して説明する。しかしながら、幾つかの実施形態はコンピュータ・ハードウエアで完全に具現化することができ、その場合、コンピュータ実行可能な命令は読出し専用メモリ内に装入される。幾つかの実施形態はまた、クライアント／サーバ計算環境内で具現化することができ、その場合、タスクを実行する遠隔装置が通信ネットワークを介して連結される。プログラム・モジュールは、分散型計算環境内のローカル及び遠隔記憶装置の両方に配置することができる。
【００３０】
コンピュータ４０２は、インテル社、モートローラ社、シリックス(Cyrix) 社などから市販されている処理装置４０４を含む。コンピュータ４０２はまた、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）４０６、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）４０８、１つ以上の大容量記憶装置４１０、並びに様々なシステム構成部品を処理装置４０４に作動結合するシステム母線４１２を含む。メモリ４０６，４０８及び大容量記憶装置４１０はコンピュータ呼出し可能な媒体の種類である。より詳しく述べると、大容量記憶装置４１０は不揮発性のコンピュータ呼出し可能な媒体の種類であり、１つ以上のハードディスク駆動装置、フレキシブルディスク駆動装置、光ディスク駆動装置、及びテープ・カートリッジ駆動装置を含むことができる。処理装置４０４は、コンピュータ呼出し可能な媒体上に記憶されているコンピュータ・プログラムを実行する。
【００３１】
コンピュータ４０２は、通信装置４１６を介してインターネット４１４に通信接続することができ、これにより遠隔システム監視、トラブルシューティング及びソフトウエア再構成が可能である。インターネット４１４の接続は当該技術分野で周知である。一実施形態では、通信装置４１６は、通信ドライバに応答して、「ダイアルアップ接続」として当該技術分野で知られているものを介してインターネットに接続するモデムである。別の実施形態では、通信装置４１６は、「直接接続」として当該技術分野で知られているもの（Ｔ１線路など）を介してインターネットに接続されるローカルエリア・ネットワーク（ＬＡＮ）に接続されたイーサーネット（登録商標）又は同様なハードウエアのネットワーク・カードである。
【００３２】
ユーザは、キーボード４１８又はポインティング装置４２０のような入力装置を介してコンピュータ４０２に指令及び情報を入力する。キーボード４１８は、当該技術分野で知られているように、コンピュータ４０２にテキスト情報の入力を可能にするものであり、実施形態はどのような特定の種類のキーボードにも限定されない。ポインティング装置４２０は、マイクロソフト・ウインドウズのようなオペレーティング・システムのグラフィカル・ユーザ・インターフェース（ＧＵＩ）によって与えられる画面上のポインタの制御を可能にするものである。実施形態はどのような特定のポインティング装置４２０にも限定されない。このようにポインティング装置には、マウス、タッチパッド、トラックボール、遠隔制御器及びポイント・スティックが含まれる。他の入力装置（図示せず）がマイクロフォン、ジョイスティック、ゲームパッド、サテライト・ディッシュ、スキャナ、又は同様な物を含むことができる。
【００３３】
実施形態によっては、コンピュータ４０２は表示装置４２２に作動結合される。表示装置４２２はシステム母線４１２に接続される。表示装置４２２は、コンピュータのユーザによって見るために、コンピュータ、ビデオ及びその他の情報を含む情報を表示することができる。実施形態はどのような特定の表示装置４２２にも限定されない。このような表示装置には、陰極線管（ＣＲＴ）表示装置（モニタ）と共に、液晶表示装置（ＬＣＤ）のようなフラットパネル表示装置が含まれる。モニタに加えて、コンピュータは典型的には、プリンタ（図示せず）のような他の周辺入力／出力装置を含む。スピーカ４２４及び４２６が信号の音声出力を与える。スピーカ４２４及び４２６もまたシステム母線４１２に接続される。
【００３４】
コンピュータ４０２はまた、コンピュータ呼出し可能な媒体であるＲＡＭ４０６、ＲＯＭ４０８及び大容量記憶装置４１０に記憶され且つ処理装置４０４によって実行されるオペレーティング・システム（図示せず）を含む。オペレーティング・システムには、例えば、マイクロソフト・ウインドウズ、アップル・マックＯＳ（登録商標）、リナックス（登録商標）、ユニックス（登録商標）が含まれる。実施例はどのような特定のオペレーティング・システムにも限定されないが、このようなオペレーティング・システムの構成及び使用法は当該技術分野において周知である。
【００３５】
コンピュータ４０２の実施形態はどのような種類のコンピュータ４０２にも限定されない。様々な実施形態において、コンピュータ４０２は、ＰＣ互換性コンピュータ、マックＯＳ互換性コンピュータ、リナックス互換性コンピュータ、又はユニックス互換性コンピュータを含む。このようなコンピュータの構成及び動作法は当該技術分野において周知である。
【００３６】
コンピュータ４０２は、少なくとも１つのオペレーティング・システムを使用して動作させて、ユーザ制御可能なポインタを含むグラフィカル・ユーザ・インターフェース（ＧＵＩ）を提供することができる。コンピュータ４０２は、コンピュータ４０２のユーザがユニバーサル・リソース・ロケータ（ＵＲＬ）アドレスによってアドレス指定したときにイントラネット又はインターネット・ワールドワイドウェブ・ページにアクセスできるように、少なくとも１つのオペレーティング・システム内で実行する少なくとも１つのウェブ・ブラウザ・アプリケーション・プログラムを持つことができる。ブラウザ・アプリケーション・プログラムには、例えば、ネットスケープ・ナビゲータ（登録商標）及びマイクロソフト・インターネット・エクスプローラ（登録商標）が含まれる。
【００３７】
コンピュータ４０２は、遠隔コンピュータ１３０のような１つ以上の遠隔コンピュータへの論理的接続を使用してネットワーク化された環境内で動作することができる。これらの論理的接続は、コンピュータ４０２に又はその一部に結合された通信装置によって達成される。実施形態は特定の種類の通信装置に限定されない。遠隔コンピュータ１３０は、別のコンピュータ、サーバ、制御装、ネットワークＰＣ、ＰＩＤ制御装置、ルータ、クライアント、ピア装置又は他の通信ネットワーク・ノードであってよい。図４に示されている論理的接続は、ローカルエリア・ネットワーク（ＬＡＮ）４３０及びワイドエリア・ネットワーク（ＷＡＮ）４３２を含む。このようなネットワーク環境は、事務所、企業内コンピュータ・ネットワーク、イントラネット及びインターネットにおいて当たり前のことである。
【００３８】
ＬＡＮネットワーク環境に使用されるとき、コンピュータ４０２及び遠隔コンピュータ１３０は、一種類の通信装置４１６であるネットワーク・インターフェース又はアダプタ４３４を介してローカル・ネットワーク４３０に接続される。遠隔コンピュータ１３０はまたネットワーク装置４３６を含んでいる。従来のＷＡＮネットワーク環境に使用されるとき、コンピュータ４０２及び遠隔コンピュータ１３０はモデム（図示せず）を介してＷＡＮ４３２と通信する。モデムは、内部又は外部にあってよいが、システム母線４１２に接続される。ネットワーク化された環境では、コンピュータ４０２に対して、又はその一部に対して描かれるプログラム・モジュールは、遠隔コンピュータ１３０内に格納することができる。
【００３９】
コンピュータ４０２はまた電源装置４３８を含む。各電源装置は蓄電池であってよい。
【００４０】
［一実施形態の方法］
前の部分において、一実施形態の動作装置を説明した。この部分では、このような一実施形態の制御装置１３０又はコンピュータ４０２によって実行される特定の方法を、一連の流れ図を参照して説明する。
【００４１】
図５は、一実施形態による方法５００の流れ図である。方法５００は、可変冷却能力クライオクーラについての当該分野における要求を解決する。
【００４２】
方法５００は行為５０２から始まる。行為５０２において、クライオクーラ・ディスプレーサ／ピストンを駆動する電力駆動装置について初期ストローク・レート又は周波数を設定する。これは次いでクライオクーラの冷却能力を決定する。前に述べたように、従来のクライオクーラはクライオクーラの冷却能力を最大にするストローク周波数に設定される。この最大ストローク・レートは、クライオクーラにおけるシール及び動的接触面を持つ部品のような可動部品の期待寿命を短くする。初期ストローク周波数は最大要件又は任意のより低い要件のような任意のストローク・レートに設定することができる。更に、クライオクーラについての従来の冷却能力の要求は、従来の設備使用法についての統計値、ＭＲＩ磁石システム１００についての使用法の種類、施設における使用法、或いは初期ストローク・レート又は周波数の決定を容易にすることができる任意の他の情報に基づいて定めることができる。好ましい実施形態の場合、初期ストローク・レートは公称デューティサイクルの０．６８、すなわち、クライオクーラの最大冷却能力の６８％に設定される。初期ストローク・レートが設定された後、制御は更なる処理のために行為５０４に進む。
【００４３】
行為５０４において、圧力差を決定する。圧力差を決定するには、図１に示されるように圧力トランスデューサ（絶対又はゲージ・トランスデューサ）を使用することによってシステム１００の圧力を測定し、操作圧力又は設定圧力を減算する。設定圧力は、従来の設備使用法、ＭＲＩ磁石システム１００についての使用法の種類、施設における使用法、或いは最適な使用法を容易にすることができる任意の他の情報に基づいて設定することができる任意の圧力である。設定圧力は、クライオスタット１０２をその最適な動作状態に保つためにクライオクーラ１１６からの必要とされる冷却能力に基づいて動的に選択される。一旦、行為５０４で圧力差が決定されると、制御は更なる処理のために行為５０６へ進む。
【００４４】
行為５０６では、ストローク周波数調節値を決定する。行為５０６は、クライオスタット１０２内の圧力変化を定義する比例積分微分構成を注意深く適用することによって、ストローク・レート調節値を決定する。「比例」は、圧力変数（ＰＶ）又は設定点（ＳＰ）が出力を或る特定の割合だけ変化させるように変化しなければならない量を表す。比例成分の本質的な動作は、オフセット（圧力の差）を取って、該オフセットを除く値に出力をリセットする（電動機のストローク・レートを変化させる）ことである。積分成分は、本質的に（毎分の）回数を表すサンプル−ホールド機能であり、積分項は比例項の動作を繰り返す。微分動作は、圧力変数の変化率に比例する。微分は、圧力変数が変化するのを防止して、圧力を設定値に維持するように設計される。ＰＩＤ制御装置の全体的効果は、最初にプロセスを所望の設定値から離れさせる擾乱を相殺することである。次いで、制御装置は、クライオクーラがシステムの熱負荷要件を満たし、そして設定値にゆっくりと戻るようにストローク・レートを調節する。換言すると、擾乱が閉ループ・システムに与える影響が除去され、システムは所望の値に戻る。一旦行為５０６で調節値が算出されると、制御は更なる処理のために行為５０８へ進む。
【００４５】
行為５０８では、初期ストローク・レートを行為５０６で算出された調節値と組み合わせる。この組み合わせによる全体的な効果は、圧力が所望の動作圧力よりも高い場合に、該組み合わせによりクライオクーラ１１６のストローク周波数又はパルス・レートを増大させて、クライオクーラ１１６の冷却能力を増大させることである。その代わりに、圧力が所望の動作圧力よりも低い場合は、ストローク・レートを減少させて、クライオクーラ１１６の冷却能力を下げる。このように、クライオクーラ１１６はクライオスタット１０２の既存の熱負荷要件に適合させることができる。一旦、行為５０８でストローク速度が組み合わされると、制御は更なる処理のために行為５１０へ進む。
【００４６】
行為５１０では、ストローク・レートを行為５０８における組合せストローク・レートに設定する。一旦ストロークが設定されると、制御は更なる処理のために行為５１０から行為５０４へ移る。
【００４７】
実施形態によっては、方法５００は、搬送波で具体化されるコンピュータ・データ信号として実現され、該コンピュータ・データ信号は、図４中の処理装置４０４のような処理装置によって実行されたとき、処理装置にそれぞれの方法を実行させる一連の命令を表している。他の実施形態では、方法５００は、図４中の処理装置４０４のような処理装置にそれぞれの方法を実行させるように指図することのできる実行可能な命令を持つコンピュータ呼出し可能な媒体として実現される。様々な実施形態では、媒体は磁気媒体、電子媒体、又は光学媒体である。
【００４８】
方法６００は行為６０２から始まる。行為６０２において、圧力センサ１１２から圧力信号をデータ処理システムで受け取る。ここで、センサ１１２は圧力センサであるが、圧力信号は温度と圧力との間の周知の関係を使用して温度信号から導き出すことができることに留意されたい。一旦、圧力信号を受け取ると、制御は更なる処理のために行為６０４へ進む。
【００４９】
行為６０４では、クライオクーラ圧縮機のストローク周波数又はストローク・レートを決定する。ストローク周波数はクライオクーラ１１６の冷却能力又は熱除去レートに同じ方向に比例する。圧力を決定した後、制御は更なる処理のために行為６０６へ進む。
【００５０】
行為６０６では、動作限界の超過分を決定して、受け取った圧力信号及び受け取ったストローク周波数又はストローク・レートと比較する。行為６０６は、クライオスタット１０２における圧力変化を定義する比例積分微分構成を注意深く適用することによってクライオスタットに対する調節値を決定する。「比例」は、圧力変数（ＰＶ）又は設定点（ＳＰ）が出力を或る特定の割合だけ変化させるように変化しなければならない量を表す。比例成分の本質的な動作は、オフセット（任意の点からの圧力の差）を取って、クライオクーラ１１６の熱除去レートを変化させ又はヒータ１１２を動作させることである。積分成分は、本質的に毎分の回数を表すサンプル−ホールド機能であり、積分項は比例項の動作を繰り返す。微分動作は、圧力変数の変化率に比例する。微分は、圧力変数が変化するのを防止して、圧力を設定値に維持するように設計される。ＰＩＤ制御装置の全体的効果は、最初にプロセスを所望の設定値から離れさせる擾乱を相殺することである。次いで、制御装置は、クライオクーラがシステムの熱負荷要件を満たし、そして設定値にゆっくりと戻るようにストローク・レートを調節する。換言すると、擾乱が閉ループ・システムに与える影響が除去され、システムは所望の値に戻る。圧力値の超過に関する決定の後、制御は更新された圧力信号を受け取る行為６０２へ、或いはヒータ１１２によりクライオスタットに熱を加える行為６０８へ進む。
【００５１】
行為６０８では、システムの圧力を所望の動作範囲内に維持するためにシステムに熱を加える。現在の圧力が大気圧よりも低下したとき、制御は更なる処理のために行為６１６へ進む。図１のヒータ１１４は、当該分野で周知のようにそれ自身の制御装置１２２を持っている。行為６０８の目的は、クライオクーラ１１６の過剰な冷却能力を補償して、圧力を大気圧よりも高く維持することである。現在の圧力（行為６０２）が大気圧を越えていないか又は大気圧よりも高い場合、プロセスは継続し、正常な流れの行為である。
【００５２】
［結論］
以上、クライオクーラのための制御装置を説明した。特定の実施形態を例示して説明したが、当業者には、同じ目的を達成するために算出されるどの構成も図示した特定の実施形態の代わりに用い得ることが理解されよう。本出願は任意の改変又は変形を包含するものである。
【００５３】
特に、当業者には、方法及び装置の名称が実施形態を制限するものでないことが理解されよう。更に、構成部品に付加的な方法及び装置を付け加えることができ、構成部品の間で機能を再配置することができ、将来の強化に対応する新しい構成部品及び実施形態で使用された物理的装置は実施形態の範囲から逸脱することなく導入することができる。また当業者には、実施形態が将来の制御装置、異なるクライオクーラ及び新しい冷凍剤に適用可能であることが容易に認められよう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】クライオクーラを制御するための一実施形態のシステム全体の概要を例示する略図である。
【図２】クライオクーラの電動機（交流誘導電動機又は直流電動機）を調整するための一実施形態による装置の略図である。
【図３】クライオクーラの動作を最適にするための調節値を算出するために使用される比例積分微分（ＰＩＤ）制御装置の略図である。
【図４】異なる実施形態を実施することが可能であるハードウエア及び動作環境のブロック図である。
【図５】圧力を監視し、クライオクーラの動作を最適にするための調節値を算出するための流れ図である。
【図６】圧力及びクライオクーラのストローク・レートを監視し、監視した圧力が所定の値より低いときにクライオスタット・システムに熱を加えるための流れ図である。
【符号の説明】
【００５５】
１００  ＭＲＩゼロ・ボイルオフ超伝導磁石システム
１０２  クライオスタット
１０４  絶縁輻射遮蔽体
１０６  ヘリウム圧力容器
１０８  液体ヘリウム表面レベル
１１０  懸架部品
１１２  圧力センサ
１１４  電気ヒータ
１１６  クライオクーラ
１１８  電動機
１２０  上側サブマージ部分
１２２  制御装置
１２４  スリーブ
１２６  ヘリウム・ガス
１２８  再凝縮器
２００  システム
２０６  組合せ装置
２０８  初期速度信号
２１０  調節信号
３００  システム
３０２  測定圧力
３０４  測定圧力
３０６  圧力差
３１０  比例信号成分
３１２  積分信号成分
３１４  微分信号成分
３１６  差信号
３１８  比例積分微分（ＰＩＤ）制御装置
４００  ハードウエア及び動作環境
４０２  コンピュータ
４１２  システム母線
５００  方法
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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