(57)【要約】      （修正有）【課題】ＭＲＩ装置の発熱性構成要素を冷却するための温度管理システムを提供すること。【解決手段】磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置の発熱性構成要素を冷却するための温度管理システム（７０）は、傾斜コイル（５４）及び／またはＲＦコイルなどの発熱性構成要素の近傍にその一部を配置させた少なくとも１つのヒートパイプ（７２）を含む。構成要素から熱を除去する際に、ヒートパイプ（７２）の相対的に高温側の端部（９０）にある作動流体が気化し、ヒートパイプ（７２）の相対的に低温側の端部（９２）に向かって移動する。低温側端部（９２）からの熱を除去しシステム（７０）の全体効率を上昇させるために、低温側端部（９２）をヒートシンク（９４、９６）と動作可能に結合させることがある。ヒートパイプ（７２）は、発熱性構成要素に対する水平方向、垂直方向及び／または斜方向に配置させることができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置（１０）の発熱性構成要素（５０、５６）の近傍に第１の端部（９０）を有する少なくとも１つのヒートパイプ（７２）を備えた磁気共鳴撮像装置（１０）の発熱性構成要素（５０、５６）を冷却するための温度管理システム（７０）であって、該少なくとも１つのヒートパイプ（７２）の第１の端部は該発熱性構成要素（５０、５６）からの熱を除去しているシステム（７０）。
【請求項２】
前記発熱性構成要素はＭＲＩ装置（１０）の傾斜コイルアセンブリ（５０）を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つのヒートパイプ（７２）は、ＭＲＩ装置（１０）の水平軸（７３）と垂直軸（７５）の一方に実質的に沿って配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つのヒートパイプ（７２）の第２の端部から熱を除去するためのヒートシンク（９４）をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ヒートシンク（９４）はその内部に冷却剤を通過させるマニホールド（９６）の内部に配置されている、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記少なくとも１つのヒートパイプ（７２）の第１の端部（９０）はエポキシ材料（５５）内に埋め込まれている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
熱伝導性材料から製作されたモジュール（１０６）をさらに備えており、前記少なくとも１つのヒートパイプ（１０６）は該モジュール（１０６）の上に装着されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
その第１の端部（９０）が磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置（１０）の傾斜コイル（５４）の近傍にあるような第１の端部（９０）及び第２の端部を有する少なくとも１つのヒートパイプ（７２）と、
前記少なくとも１つのヒートパイプ（７２）と動作可能に結合されたヒートシンク（９４）と、
を備える温度管理システム（７０）。
【請求項９】
前記少なくとも１つのヒートパイプ（７２）は、ＭＲＩ装置（１０）の水平軸（７３）と垂直軸（７５）の一方に実質的に沿って配置されている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ヒートシンク（９４）は前記少なくとも１つのヒートパイプ（７２）の第２の端部と動作可能に結合されたフィンを備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
その内部に冷却剤を通過させるマニホールド（９６）をさらに備える請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ヒートシンク（９４）は前記マニホールド（９６）の内部に配置されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのヒートパイプ（７２）の第２の端部は前記マニホールド（９６）の内部に配置されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ヒートシンク（９４）は前記傾斜コイル（５４）の近傍でそこから熱を除去するように位置させている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
少なくとも１つのヒートパイプ（７２）を備えた磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置（１０）のための温度管理システム（７０）であって、該少なくとも１つのヒートパイプ（７２）は該ＭＲＩ装置（１０）の傾斜コイル（５４）の近傍にある該傾斜コイル（５４）からの熱が該少なくとも１つのヒートパイプ（７２）の内部で蒸発を生じさせるような蒸発器セクション（１００）をさらに備える温度管理システム（７０）。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのヒートパイプ（７２）はさらに少なくとも１つのヒートパイプ（７２）から生じる熱伝達がほとんどないか全くないように傾斜コイル（５４）の外部に配置させた断熱セクション（１０２）を備える、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのヒートパイプ（７２）はさらに、傾斜コイル（５４）からの熱が該少なくとも１つのヒートパイプ（７２）の内部で凝縮を受けるような凝縮器セクション（１０４）を備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのヒートパイプ（７２）は、ＭＲＩ装置（１０）の水平軸（７３）と垂直軸（７５）の一方に実質的に沿って配置されている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのヒートパイプ（７２）と動作可能に結合されたヒートシンク（９４）をさらに備える請求項１５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置に関し、さらに詳細には、ＭＲＩ装置の傾斜コイルアセンブリ、ＲＦコイルアセンブリ、その他などの発熱性構成要素を冷却するための温度管理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡＣ環境で動作する例示的な超伝導マグネットシステムは、変圧器、発電機、モータ、超伝導マグネットエネルギー蓄積器（ＳＭＥＳ）、及び磁気共鳴（ＭＲ）装置を含む。従来のＭＲマグネットはＤＣモードで動作するが、幾つかのＭＲマグネットはマグネットに対する傾斜漏れ磁場が高い場合に傾斜コイルからのＡＣ磁場下で動作することがある。こうしたＡＣ磁場はマグネット内にＡＣ損失を生成する。説明を目的としてＭＲ装置の例示的な詳細に関する例証検討を提示することにする。
【０００３】
人体組織などの物質を均一な磁場（偏向磁場Ｂ０）にかけると、組織中のスピンの個々の磁気モーメントはこの偏向磁場と整列しようとして、この周りをラーモアの特性周波数によってランダムな秩序で歳差運動することになる。この物質や組織に、ｘ−ｙ平面内にありラーモア周波数に近い周波数をもつ磁場（励起磁場Ｂ１）がかけられると、正味の整列モーメント（すなわち、「縦磁化」）ＭＺは、ｘ−ｙ平面内に来るように回転させられ（すなわち、「傾けられ（ｔｉｐｐｅｄ）」）、正味の横方向磁気モーメントＭｔが生成される。励起信号Ｂ１を停止させた後、励起したスピンにより信号が放出され、さらにこの信号を受信し処理して画像を形成させることができる。
【０００４】
これらの信号を用いて画像を作成する際には、磁場傾斜（Ｇｘ、Ｇｙ及びＧｚ）が利用される。典型的には、撮像しようとする領域は、使用する具体的な位置特定方法に従ってこれらの傾斜を変更させている一連の計測サイクルによりスキャンを受ける。結果として得られる受信した核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号の組はディジタル化されかつ処理され、よく知られている多くの再構成技法のうちの１つを用いて画像が再構成される。
【０００５】
傾斜コイルの温度管理は、ＭＲ装置の発達に関する最大の技術的障壁の１つである。より大型の患者スペースとより良好な画像品質に対する要求の結果、電流密度がより高くなり、これが体積発熱率の増大につながっている。コイル内（また具体的には、傾斜コイル内）で発生した熱は、装置の安全かつ高信頼性の動作、並びに患者の快適性及び安全のためにＭＲ装置から除去する必要がある。過剰な熱によって、エポキシ絶縁を軟化させるような温度上昇が生じることがある。ある箇所がしきい値温度に達すると、エポキシ樹脂は溶解に向かい、このためにシステムに対してその構造的耐久性を失わせることになる。絶縁が軟化すると放電を促進させることがあり、また装置故障を生じさせることがある。したがって温度を受容可能な限界以下に保つためには、効果的な温度管理が重要である。
【０００６】
ＭＲ装置の温度管理の一方法は傾斜コイルに対して気体冷却を提供することである。しかし気体冷却は、ＭＲ装置の傾斜コイル内で発生する種類の熱負荷など非常に高い熱負荷については十分でない。
【０００７】
ＭＲ装置の温度管理の別の方法はハーメチック封止した液体冷却システムを提供することである。典型的な液体冷却機構では、直接冷却のために液体チャンネルに液体を通過させるか、あるいは伝導体の内部に液体を配置している。典型的には冷却回路は、銅チューブか非常に長いプラスチックチューブのいずれかを用いた蛇行スキームによっている。適正な冷却のためにはこの液体は、ＭＲ円筒に沿うか中空の伝導体に沿って軸方向で進入させかつ移動させる必要がある。液体冷却は高熱負荷に関する実用可能な選択肢の１つであるが、液体冷却ではチャンネル全体にわたって冷却剤を均等に分布させて最適な動作性能を得るために大型のポンプ及びマニホールドが必要となる。さらにこの方法では、冷却剤フローを均一に分布させかつ複数の注入口／出口接続が要求されるような複雑なマニホールドシステムが必要となる。これらの接続は、撮像アーチファクトを生成させる伝導性の閉ループの形成を防止するために電気的に絶縁させなければならない。さらに、マニホールド設計、フロー回路数、冷却剤の注入口／排出口位置、その他といった液体冷却に関する補給が、ＭＲ構成要素の別の設計スペースを妨害し全体的な複雑さ、コスト及び信頼性の問題を増大させる可能性がある。
【特許文献１】米国特許第７１４０４２０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、例えば加えられた選択励起によらず傾斜コイル温度をある指定された範囲内に維持するためにより単純かつ費用対効果の高い温度管理システムを提供することが望ましく、これよってシステムの信頼性を向上させ、画質が高くスキャン時間が長い場合のより高速な撮像のためのより高出力の利用を可能とすると同時に、患者に快適性と安全を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様では、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置の発熱性構成要素を冷却するための温度管理システムは、磁気共鳴撮像装置の発熱性構成要素の近傍に第１の端部を有する少なくとも１つのヒートパイプを備えており、該少なくとも１つのヒートパイプの第１の端部は発熱性構成要素からの熱を除去している。
【００１０】
本発明の別の態様の温度管理システムは、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置の傾斜コイルの近傍にその第１の端部を有する第１の端部及び第２の端部を有する少なくとも１つのヒートパイプと、該少なくとも１つのヒートパイプと動作可能に結合されたヒートシンクと、を備える。
【００１１】
本発明のまた別の態様では、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置のための温度管理システムは、少なくとも１つのヒートパイプを備えており、該少なくとも１つのヒートパイプはさらに該ＭＲＩ装置の傾斜コイルの近傍にある該傾斜コイルアセンブリからの熱が該少なくとも１つのヒートパイプ内に蒸発を生じさせるような蒸発器セクションを備える。
【００１２】
本発明に関する別の様々な特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図面では、本発明を実施するために目下のところ企図される好ましい実施形態を図示している。
【００１４】
図１を参照すると、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置１０は、交番電流（ＡＣ）環境で動作する超伝導マグネットシステムを備えている。例示的な超伝導マグネットシステムは、変圧器、発電機、モータ、超伝導マグネットエネルギー蓄積器（ＳＭＥＳ）、及び／または磁気共鳴（ＭＲ）装置を含む。従来のＭＲマグネットはＤＣモードで動作するが、幾つかのＭＲマグネットはマグネットに対する傾斜漏れ磁場が高い場合に傾斜コイルからのＡＣ磁場下で動作することがある。こうしたＡＣ磁場はマグネット内にＡＣ損失を生成する。単に説明を目的として、磁気共鳴及び／または磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置及び／またはシステムの例示的な詳細に関する例証検討を提示することにする。
【００１５】
このＭＲ装置の動作は、キーボードその他の入力デバイス１３、制御パネル１４及び表示画面１６を含むオペレータコンソール１２から制御を受けている。コンソール１２は、オペレータが画像の作成及び表示画面１６上への画像表示を制御できるようにする単独のコンピュータシステム２０と、リンク１８を介して連絡している。コンピュータシステム２０は、バックプレーン２０ａを介して互いに連絡している多くのモジュールを含んでいる。これらのモジュールには、画像プロセッサモジュール２２、ＣＰＵモジュール２４、並びに当技術分野でフレームバッファとして知られている画像データアレイを記憶するためのメモリモジュール２６が含まれる。コンピュータシステム２０は、画像データ及びプログラムを記憶するためにディスク記憶装置２８及びテープ駆動装置３０とリンクしており、さらに高速シリアルリンク３４を介して単独のシステム制御部３２と連絡している。入力デバイス１３は、マウス、ジョイスティック、キーボード、トラックボール、タッチ作動スクリーン、光学読取り棒、音声制御器、あるいは同様な任意の入力デバイスや同等の入力デバイスを含むことができ、また入力デバイス１３は対話式幾何学指定のために使用することができる。
【００１６】
システム制御部３２は、バックプレーン３２ａにより互いに接続させたモジュールの組を含んでいる。これらのモジュールには、ＣＰＵモジュール３６や、シリアルリンク４０を介してオペレータコンソール１２に接続させたパルス発生器モジュール３８が含まれる。システム制御部３２は、実行すべきスキャンシーケンスを指示するオペレータからのコマンドをこのリンク４０を介して受け取っている。パルス発生器モジュール３８は、各システムコンポーネントを動作させて所望のスキャンシーケンスを実行させ、発生させる無線周波数（ＲＦ）パルスのタイミング、強度及び形状、並びにデータ収集ウィンドウのタイミング及び長さを指示するデータを発生させている。パルス発生器モジュール３８は、スキャン中に発生させる傾斜パルスのタイミング及び形状を指示するために１組の傾斜増幅器４２と接続させている。パルス発生器モジュール３８はさらに、生理学的収集制御器４４から患者データを受け取ることができ、この生理学的収集制御器４４は、患者に装着した電極からのＥＣＧ信号など患者に接続した異なる多数のセンサからの信号を受け取っている。また最終的には、パルス発生器モジュール３８はスキャン室インタフェース回路４６と接続されており、スキャン室インタフェース回路４６はさらに、患者及びマグネット系の状態に関連付けした様々なセンサからの信号を受け取っている。このスキャン室インタフェース回路４６を介して、患者位置決めシステム４８はスキャンのために患者を所望の位置に移動させるコマンドを受け取っている。
【００１７】
パルス発生器モジュール３８が発生させる傾斜波形は、Ｇｘ増幅器、Ｇｙ増幅器及びＧｚ増幅器を有する傾斜増幅器システム４２に加えられる。各傾斜増幅器は、収集する信号の空間エンコードに使用する磁場傾斜を生成させるように全体を番号５０で示す傾斜コイルアセンブリ内の物理的に対応する傾斜コイルを励起させている。マグネットアセンブリ５２は傾斜コイルアセンブリ５０及び全身用ＲＦコイル５６を含む。一般に、傾斜コイルアセンブリ５０はエポキシ材料で分離させた複数の傾斜コイル５４（３つの次元方向）を含む。システム制御部３２内の送受信器モジュール５８は、ＲＦ増幅器６０により増幅を受けて送信／受信スイッチ６２によりＲＦコイル５６に結合されるようなパルスを発生させている。患者内の励起された原子核が放出して得られた信号は、同じＲＦコイル５６により検知し、送信／受信スイッチ６２を介して前置増幅器６４に結合させることができる。増幅したＭＲ信号は、送受信器５８の受信器部分で復調され、フィルタ処理され、さらにディジタル化される。送信／受信スイッチ６２は、パルス発生器モジュール３８からの信号により制御し、送信モードではＲＦ増幅器６０をコイル５６と電気的に接続させ、受信モードでは前置増幅器６４をコイル５６に接続させている。送信／受信スイッチ６２によりさらに、送信モードと受信モードのいずれに関しても独立したＲＦコイル（例えば、表面コイル）を使用することが可能となる。
【００１８】
ＲＦコイル５６により取り込まれたＭＲ信号は送受信器モジュール５８によりディジタル化され、システム制御部３２内のメモリモジュール６６に転送される。未処理のｋ空間データのアレイをメモリモジュール６６内に収集し終わると１回のスキャンが完了となる。この未処理のｋ空間データは、各画像を再構成させるように別々のｋ空間データアレイの形に配置し直しており、これらの各々は、データをフーリエ変換して画像データのアレイにするように動作するアレイプロセッサ６８に入力される。この画像データはシリアルリンク３４を介してコンピュータシステム２０に送られ、コンピュータシステム２０において画像データはディスク記憶装置２８内などの記憶装置内に格納される。この画像データは、オペレータコンソール１２から受け取ったコマンドに応じて、テープ駆動装置３０上などの長期記憶内にアーカイブしたり、画像プロセッサ２２によりさらに処理してオペレータコンソール１２に伝達しディスプレイ１６上に表示させたりすることができる。
【００１９】
動作時においてＭＲ装置１０は大量の電気出力を消費する。具体的には傾斜コイル５４及びＲＦコイル５６が過剰な量の電力を消費する。とりわけこれらの発熱性構成要素が、かなりの熱（典型的には、概ね数１０キロワット）を発生させる。過剰な熱はシステム構成要素を劣化させるまたは故障を早めさせる可能性があり、またこれによって信頼性に悪影響を与える可能性があることは予期されよう。さらに、温度の上昇は電気抵抗を増加させてコイル電流を減少させると共に、コイル電流の低下が信号生成に影響を及ぼし、この結果画像分解能が悪くなる。さらに、熱は撮像過程にある患者にとって不快となることがあり、過剰であれば患者に損傷を及ぼす可能性もある。この理由から、ＭＲＩシステムで使用できる電力量を実効的に制限させるように患者支持テーブルの最大温度を規定する規制が存在する。
【００２０】
本発明は、ＭＲＩ装置１０の傾斜コイルアセンブリ５０やＲＦコイル５６などの発熱性構成要素の熱除去を向上させる一方、内部温度及び外部温度を最大動作限界未満に維持するシステム及び方法を提供し、これによって画質を向上させたより高速な撮像のためのより高出力の利用を可能にし、かつ介入的手技に関してより長いスキャン時間が許容される。さらに本発明は、均一な温度を維持しかつ発熱性構成要素内のホットスポットを排除するためのシステム及び方法を提供すると共に、これによって当該ＭＲＩ装置の信頼性を増大させる。
【００２１】
図２及び３は、本発明の例示的実施形態による磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置１０の発熱性構成要素を冷却するための温度管理システム（その全体を７０で示す）の概要図である。例証的な一実施形態としてこの発熱性構成要素は傾斜コイルアセンブリ５０の傾斜コイル５４を含む。しかし本発明の原理は、ＲＦコイル５６その他などＭＲ装置１０の別の発熱性構成要素にも適用可能であることを理解されたい。ＭＲＩ装置１０は軸１１０の周りで鏡面対称であることを理解されたい。
【００２２】
一実施形態では温度管理システム７０は、傾斜コイル５４が発生させた熱の放散を支援するために傾斜コイル５４の近傍にその一部を配置させるようにした１つまたは複数の市場入手可能なヒートパイプ７２を備える。一実施形態では、ヒートパイプ７２の一部は傾斜コイル５４の製造中に傾斜コイル５４を囲繞するエポキシ５５の内部に埋め込みかつ含浸させることができ、これによって傾斜コイル５４の不可分の一部となる。ヒートパイプ７２は傾斜コイル５４の中心軸７３の周りで対称に位置させることも、非対称に位置させることもできる。ヒートパイプ７２は望ましい任意の断面形状を有することができる。例えばヒートパイプ７２は、円形、矩形、正方形、あるいは別の任意の多角形断面形状を有することができる。ヒートパイプ７２は互いから等しい離間とさせることや、互いからの離間距離を等しくさせないこともある。例えばヒートパイプ７２は傾斜コイル５４の「ホットスポット」内に位置させることがある（これについては以下で説明する）。各発熱性コイルに関して、ヒートパイプは下側（より小半径の側）か上側（より大半径の側）のいずれかに位置させることや、これらのいずれかまたは両者の組み合わせで位置させることがある。各コイルはそれ独自のヒートパイプ冷却スキームを有することがある。
【００２３】
ここで図４を参照すると、ヒートパイプ７２は、高温側界面と低温側界面の間で非常にわずかな温度差で大量の熱を伝達することが可能な熱伝達機構である。典型的にはヒートパイプ７２は封止された中空のチューブ７４からなる。チューブ７４を製作するには、銅、アルミニウム、その他などの熱伝導性金属を用いている。ヒートパイプ７２は、水、エタノール、水銀、その他、あるいは流体の組み合わせなどの「作動流体」または冷却剤７６を相対的にわずかな量（例えば、約５〜１０％）だけ収容しており、ヒートパイプ７２の残りの部分は気相の作動流体で満たされており、他のすべての気体はヒートパイプ７２のハーメチックシールによって排除されている。
【００２４】
材料及び冷却剤の選択は、冷却剤を用いたヒートパイプ７２が動作しなければならない熱過剰及び温度条件に依存しており、ごく低温度用途の液体ヘリウムから高温条件の水銀にまで及ぶ。したがってヒートパイプ７２は、ヒートパイプ７２が動作しなければならない温度条件に応じた１つまたは複数の材料から構成させることが可能である。
【００２５】
液体冷却剤７６を使用することによって患者快適性の向上、分解能に関するシステム動作性能の増大、従来の気体冷却式システムが必要とする気体ダクトを無くすことができることによるサイズの減少、並びにシステムの全体効率の増大が提供されることに留意すべきである。一実施形態ではヒートパイプ７２は、アンモニア、アルコール（メタノールやエタノール）または水のある種の組み合わせを作動流体７６として使用している。別の実施形態では作動流体７６は、水−エチレン−グリコール混合物、水−プロピレン−グリコール混合物、あるいは任意の熱伝達流体である。
【００２６】
一実施形態ではヒートパイプ７２は、チューブ７４の側壁のうち液相の作動流体７６に対して毛管力が作用する内側に関してウィック構造７８を含むことがある。ウィック構造７８は、ヒートパイプ７２の長さ方向における熱除去量を選択的に調整するために不均一の厚さを有することがある。これは典型的には、焼結した金属粉末、あるいはチューブ軸に平行な一連の溝であるが、原則的には冷却剤７６を吸い込むことが可能な任意の材料とすることができる。ヒートパイプ７２が高温側端部が下になった連続的な傾斜を有する場合、ウィック構造７８は不要である。この実施形態ではその作動流体７６は単に重力によってヒートパイプ７２に流し戻されている。このタイプのヒートパイプは、Ｊａｃｏｂ  Ｐｅｒｋｉｎｓに因んだＰｅｒｋｉｎｓチューブの名で知られている。
【００２７】
ヒートパイプ７２は望ましい任意の断面形状を有することがあることを理解されたい。例えばヒートパイプ７２は、円形または丸みのある断面形状、実質的に矩形の断面形状、実質的に長円形の断面形状、その他を有することがある。
【００２８】
動作時においてヒートパイプ７２は、作動流体または冷却剤の気化及び液化によってある点から別の点まで熱エネルギーを転送するような蒸発冷却を利用する。ヒートパイプ７２はパイプの端部同士の温度差に依拠しており、いずれの端部の温度も周囲温度を超えて低下させることができない（したがって、ヒートパイプはパイプ内部の温度を一様にする傾向がある）。
【００２９】
ヒートパイプ７２の一方の端部９０が加熱されると、当該端部にあるパイプ７２内部の作動流体７６が矢印８０の方向に気化すると共に、ヒートパイプ７２の蒸気キャビティ８２内部の蒸気圧を上昇させる。作動流体７６の気化によって吸収される気化潜熱はパイプ７２の相対的に高温側の端部９０の温度を低下させる。
【００３０】
パイプ７２の相対的に高温側の端部９０における高温の液状作動流体に対する蒸気圧はパイプ７２の相対的に低温側の端部９２における凝縮性作動流体に対する平衡水蒸気圧より高く、またこの圧力差によって矢印８４の方向で凝縮端部への迅速な質量移転が推進され、この凝縮端部において過剰な蒸気は矢印８６の方向で凝縮し、その潜熱を開放し、かつパイプ７２の低温側端部９２を暖める。蒸気中にある非凝縮性の気体（例えば、汚染によって生じる）は気体の流れを妨害すると共にヒートパイプの効果を（特に、蒸気圧が低い低い温度において）低下させる。気体中の分子の速度は概ね音の速さであり、またこの速さは非凝縮性気体が無い場合にヒートパイプ内を伝播可能な最大速度である。実際上は、蒸気がヒートパイプ７２を通過する速さは低温端部９２における液化速度に依存する。
【００３１】
次いで、凝縮された作動流体は高温側端部９０に向かう矢印８８の方向でパイプの高温側端部まで流し戻され、再度気化してこのサイクルが反復される。垂直方向に向けたヒートパイプの場合には、流体７６は重力によって移動させることができる。ウィック構造７８を包含したヒートパイプの場合には、流体７６は毛管作用によって戻される。
【００３２】
ヒートパイプ７２を製作する際に、パイプ内を真空にする必要がない。単にヒートパイプ内の作動流体を沸騰させ、得られた蒸気によってパイプから非凝縮性気体を追い出し、次いで端部を封止するだけでよい。
【００３３】
ヒートパイプ７２の興味深い特徴の１つはこれが効果を示す温度にある。一見すると、水を作動流体としたヒートパイプは高温側端部が１００℃に達した時点でのみ作用が開始されており、この水が沸騰してヒートパイプの極意である質量移転が生じるとの疑念があるかもしれない。しかし、水の沸点はその水が置かれた圧力に依存する。排気したパイプ（約７００Ｐａの圧力）では、水の沸騰が０℃まで低下することになる。したがって高温側端部が低温端部より高温であれば熱伝達が始まることになる。同様にして、水を作動流体とするヒートパイプは１００℃以上でも良好に動作させることができる。
【００３４】
ヒートパイプの全体圧力に対する制御レベルは作動流体の量を制御することによって得ることができる。例えば水は１気圧で気化すると１６００倍に膨張する。ヒートパイプの体積の１／１６００が水で満たされていれば、単にこの流体すべてを気化させると、圧力は１気圧になる。当該パイプの安全作動圧力が例えば５大気であれば、全体積の５／１６００に等しい量の水を用いることが可能である。
【００３５】
ヒートパイプ７２は熱を転送する効率が大きい。ヒートパイプ７２は実際に、固体の銅の同等の断面と比べてかなり良好な熱伝導体である。２３０ＭＷ／ｍ２（太陽の表面における熱流の概ね４倍）以上の熱の流れが記録されている。ヒートパイプが有効である主たる理由は、単なる温度変化と比べて遥かに多くのエネルギーを要求／開放するような作動流体の気化及び液化に由来する。一例として水を用いる場合、１グラムの水の気化に要するエネルギーは、同じグラム数の水の温度を５４０℃だけ上昇させるのに要する量のエネルギーに等しい。こうしたエネルギーのほとんどすべてが「低温」端部に迅速に伝達されてそこで流体が凝縮し、これによって可動部の無い非常に効果的な熱伝達システムが作られる。
【００３６】
ヒートパイプ７２は可動部を全く包含しておらず、また典型的にはメンテナンスを必要としない（ただし、作動流体の蒸気圧が低い場合に特に、パイプ壁を通って拡散する非凝縮性気体がその効果を事実上低下させることはあり得る）。
【００３７】
蒸気が凝縮するとヒートパイプ７２の低温側端部９２の温度を上昇させるため、温度管理システム７０はヒートパイプ７２の低温側端部９２から熱を除去するための手段を含むことがある。例えば図５及び６に示すように、ヒートパイプ７２の低温側端部９２をフィン９４その他などのヒートシンクと動作可能に結合させることがある。低温側端部９２はマニホールド９６の内部に配置させることができ、一方このマニホールド９６はヒートパイプ７２の低温側端部９２からの熱を除去するように矢印９８の方向に流れる冷却剤９８を伝達することが可能である。冷却剤９８は、望ましい任意の流体（液体、気体、あるいはこれらの組み合わせ）とすることができる。マニホールド９６内に冷却剤９８を通過させるためにポンプ（図示せず）を用いることがある。フィン９４などのヒートシンク及び／またはマニホールド９６の配置によるこうした低温側端部９２からの熱の転送によって、ヒートパイプ７２の全体的な熱除去効果が増大する。本発明はヒートパイプ７２の低温側端部９２から熱を除去するための手段によって限定されるものではないことを理解されたい。例えば熱は液体や気体の使用によってヒートパイプ７２の低温側端部９２から除去することができる。
【００３８】
ヒートシンクはさらに、傾斜コイル５４からの熱除去を改善するために傾斜コイルアセンブリ５０内部で使用できることを理解されたい。例えば、傾斜コイルアセンブリ５０のエポキシ５５内部にフィン９４を埋め込むことによってヒートパイプ７２にフィン９４を動作可能に結合させることができる。この機構においてフィン９４は、相対的に高温側の傾斜コイル５４から相対的により低温のヒートパイプ７２への熱伝達を上昇させ、これによって温度管理システム７０の熱除去効率が増大する。
【００３９】
代替的な一実施形態では、１つまたは複数のヒートパイプ７２をサブストレート９５上に装着しヒートパイプモジュール１０６を形成することができる。サブストレート９５は金属などの熱伝導性材料その他から製作することができる。温度管理システム７０は、複数のヒートパイプ７２がそれに装着された単一のヒートパイプモジュール１０６を含むことや、あるいは複数のヒートパイプモジュール１０６を傾斜コイル５４の近傍に位置させることがある。ヒートパイプモジュール１０６の熱伝達特性をさらに増強するためにフィン９４をサブストレート９５内に埋め込むことができる。
【００４０】
図５及び６に示した温度管理システム７０は、１）傾斜コイル５４からの熱がヒートパイプ７２内に気化を発生させるような蒸発器セクション１００を形成させるように傾斜コイル５４の内部に配置させるヒートパイプ７２の第１の部分；２）ヒートパイプ７２からの熱伝達がほとんど無いか全くないような断熱セクション１０２を形成させるように傾斜コイル５４の外部に配置させるヒートパイプ７２の第２の部分；並びに３）傾斜コイル５４の熱で発生した蒸気をヒートパイプ７２の低温側端部９２の近傍で液化させるための凝縮器セクション１０４を形成するようなヒートパイプの第３の部分；という３つのセクションに要約することができる。結果として低温側端部９２の温度が蒸気の液化によって徐々に増加する。
【００４１】
低温側端部９２からの熱伝達並びにヒートパイプ７２の効率を向上させるために、フィン９４などのヒートシンク及び／またはマニホールド９６に低温側端部９２を動作可能に結合させることがある。ヒートパイプの第３の部分に関するヒートシンク配置はＭＲシステムの外部とする（ファンまたはブロアーを配置して凝縮器セクションに空気を通し熱を周囲に排除するように空気中に置かれる）ことがあることに留意されたい。これによって、フロー回路及びマニホールドの設計に関する記載した困難が大幅に緩和される。
【００４２】
マグネットアセンブリ５２は、円筒座標系（ｒ，θ，ｈ）を用いて最適に記述されるドーナツ型の円筒構造であることを理解されたい。しかし、円筒座標系内部の点の位置Ｐは次式によってデカルト座標系（ｘ，ｙ，ｚ）に変換可能であることはよく知られている。
【００４３】
ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）＝（ｒｃｏｓθ，ｒｓｉｎθ，ｈ）        （式１）
上の実施形態で記載したように、ヒートパイプ７２は実質的にＭＲＩ装置１０の単一の軸に沿って（ｘ方向に）向けられている。しかし本発明は、ヒートパイプ７２の向きによる限定を受けない。例えばヒートパイプ７２は、２つ以上の軸に沿って（例えば、ｘ軸とｙ軸に沿って）延びることや、またさらにはＭＲＩ装置１０内で斜め方向（ｒ軸方向）に延びることができる。
【００４４】
図７に示すヒートパイプ７２は、ＭＲＩ装置１０のｘ方向とｙ方向の両方向に向けられている。図８に示すヒートパイプ７２は軸方向と半径方向（ｘ及びｚ方向）の両方向（水平軸７３及び垂直軸７５に沿った方向）に向けられている。具体的にはヒートパイプ７２は、実質的に水平軸７３に沿って軸方向に延びる第１のセクション７２ａと、実質的に垂直軸７５に沿って半径方向に延びる第２のセクション７２ｂと、いう２つのセクションを含む。上で指摘したように、ヒートパイプ７２が高温側端部が下になった連続的傾斜を有する場合にはウィック構造７８を必要とせず、作動流体７６は単に重力のためにヒートパイプ７２まで流れ戻る。高温側端部９２ｂが低温側端部９２ａと比較して半径方向の内側にあるような第２のセクション７２ｂの場合がこれに当たる。図７及び８のヒートパイプ配置は、傾斜コイル５４内の局在的な「ホットスポット」からの熱除去において特に有用である。本発明はヒートパイプの軸方向と半径方向の配置に限定されるものではなく、また本発明はＭＲＩ装置の円筒座標に関してヒートパイプを所望の任意の方向に配置させることによって実施できることを理解されたい。
【００４５】
上述のように、本発明の温度管理システム７０によって、ＭＲ装置１０の傾斜コイル及びＲＦコイル５４、５６などの発熱性構成要素から熱を除去するための単純で軽量で費用対効果の良い解決法が提供される。１つまたは複数のヒートパイプを使用することによって、従来の温度管理システムと比べて流体の循環を使用することなしに、コンパクトな設計、局所的な温度管理、不均一熱除去能力、並びにうず電流効果の最小化が提供される。
【００４６】
本記述では、本発明（最適の形態を含む）を開示するため、並びに当業者による本発明の製作及び使用を可能にするために例を使用している。本発明の特許性のある範囲は本特許請求の範囲によって規定していると共に、当業者により行われる別の例を含むことができる。こうした別の例は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない構造要素を有する場合や、本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない等価的な構造要素を有する場合があるが、本特許請求の範囲の域内にあるように意図したものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】一例としてＭＲ装置を成す超伝導マグネットシステムのブロック概要図である。
【図２】本発明の例示的実施形態によるＭＲ装置の傾斜コイルからの熱を放散させるための温度管理システムの概要図である。
【図３】図２の線３−３に沿って切って見た温度管理システムの断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による温度管理システムのヒートパイプの切欠断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による、温度管理システムの全体効果を増大するために低温側端部にあるフィンと該フィンを冷却するためのマニホールドとを有するヒートパイプを備えた温度管理システムの断面図である。
【図６】図５の温度管理システムの上面図である。
【図７】ヒートパイプがｘ方向とｙ方向の両方にある温度管理システムの別の実施形態の上面図である。
【図８】本発明の一実施形態によるヒートパイプが軸方向と半径方向（ｘ方向とｚ方向）の両方にある温度管理システムの断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  ＭＲＩ装置
１２  オペレータコンソール
１３  入力デバイス
１４  制御パネル
１６  表示画面
１８  リンク
２０  コンピュータシステム
２０ａ  バックプレーン
２２  プロセッサモジュール
２４  ＣＰＵモジュール
２６  メモリモジュール
２８  ディスク記憶装置
３０  テープ駆動装置
３２  システム制御部
３２ａ  バックプレーン
３４  シリアルリンク
３６  ＣＰＵモジュール
３８  パルス発生器モジュール
４０  シリアルリンク
４２  傾斜増幅器
４４  収集制御器
４６  インタフェース回路
４８  患者位置決めシステム
５０  傾斜コイルアセンブリ
５２  マグネットアセンブリ
５４  傾斜コイル
５５  エポキシ
５６  ＲＦコイル
５８  送受信器モジュール
６０  ＲＦ増幅器
６２  スイッチ
６４  前置増幅器
６６  メモリモジュール
６８  アレイプロセッサ
７０  温度管理システム
７２  ヒートパイプ
７２ａ  第１のセクション
７２ｂ  第２のセクション
７３  水平軸
７４  チューブ
７５  垂直軸
７６  作動流体、冷却剤
７８  ウィック構造
８０  矢印
８２  蒸気キャビティ
８４  矢印
８６  矢印
８８  矢印
９０  高温側端部
９２  低温側端部
９２ａ  低温側端部
９２ｂ  高温側端部
９４  フィン
９５  サブストレート
９６  マニホールド
９８  冷却剤フロー
１００  蒸発器セクション
１０２  断熱セクション
１０４  凝縮器セクション
１０６  モジュール
１１０  対称軸
【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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【図７】
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【図８】
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