JP2002119493A - 冷却装置の改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＭＲＩ装置（１０）の磁気素子（１４）を冷
却する温度制御システムを提供する。 【解決手段】 この制御システムは、固体と液体の間の
相転移温度に実質的に維持されるが、実質的に固体の状
態を保ち、磁気素子（１４）と接触関係にあるワックス
（１６）を有する。センサー（１８）はワックス（１
６）内に浸漬され、ワックス（１６）の状態変化を示す
信号を与える。センサー（１８）はコントローラ（２
０）に接続され、コントローラはワックス（１６）に浸
漬された加熱素子（２６）の動作を制御してその温度を
調節する。ＭＲＩ装置の動作時、磁気素子（１４）が発
生する熱を利用してワックス（１６）が液体に変化し、
この変化をセンサー（１８）が感知してコントローラ
（２０）に信号を送り、加熱素子（２６）をオフにす
る。センサー（１８）がワックス（１６）が実質的に固
体に戻ったことを検知すると、コントローラ（２０）は
加熱素子（２６）をオンにして、ワックス（１６）を相
偏移温度であるが実質的に固体の状態に維持しようとす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は冷却装置の改良に関し、さらに詳細には、磁気
共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置に用いる温度安定性に
優れた磁石の冷却装置に関するが、それに限定されな
い。

【０００１】ＭＲＩ装置は、対象となる体積部に亘り高
い均質度で静的磁場を発生させる磁石を組み込んだもの
である。直径４０センチの球体に亘って１００万の３部
（ｐｐｍ）ｒｍｓの均質性が通常得られる。さらに、磁
場は、短い時間インターバルでのイメージングを可能に
するため、時間に対して高い安定性を必要とする。

【０００２】公知のＭＲＩ装置の大部分は、複数のソレ
ノイド型超伝導コイルが液体ヘリウムを充填して容器内
に同軸的に配置されたものである。ヘリウムは大気圧で
蒸発するため、高い温度安定性が得られ、磁石の高い寸
法安定性が確保される。その結果、所要の安定性を有す
る磁場が得られる。

【０００３】ソレノイド型超伝導磁石は、単位コスト当
たりのイメージング対象体積部の場エネルギーで見て効
率の高い態様で高品質の磁場を発生させる。しかしなが
ら、ソレノイド型装置の大きな欠点は、開放性及びアク
セス性に難点があることである。この開放性の問題によ
り、閉鎖恐怖症の患者や周辺医療機器に接続された患
者、または医学的症状により従来型ソレノイド磁石の円
筒孔内に入れない患者をイメージングできない。

【０００４】近年、アクセス性及び開放性を一段と向上
させた磁石装置が提案されている。英国特許出願第9925
513.5号は、患者に大きなアクセス性を与え、高い開放
性を有し、従って閉鎖恐怖症の可能性を減少させるＭＲ
Ｉ装置用の改良型磁石を開示している。これらの開放型
磁石の大部分は、磁石ヨーク内に低炭素鋼のような強磁
性材料をかなりの量含んでおり、これにより磁場が案内
されるかまたは磁場の均質性が制御される。これら多数
の磁石は、磁場を発生させるために、ＮｄＦｅＢ、Ｓｍ
Ｃｏまたはフェライトのような永久磁石材料を用いてい
る。上述したソレノイド型システムには、製造公差また
は環境要因による特定の磁場からの小さな偏移を補償す
るために、強磁性材料が用いられていることに注意され
たい。

【０００５】これらの強磁性材料の磁化は温度依存性を
有する。これらの強磁性材料が中央の場の強度に寄与す
る場合、温度の偏移により磁場に本質的で比例的な変化
が生じる。強磁性構造が高次の帯域調和関数の発生に寄
与する場合、温度変化は磁場のピーク間均質性の値が３
ｐｐｍ未満である球体の直径に影響を与える。これは、
脂肪組織をイメージングする場合に重要である。

【０００６】磁気構造の温度変化は、周囲温度の変化、
勾配コイルの温度変動及び勾配コイルの急速に変化する
磁場（渦電流）によることがある。

【０００７】強磁性構造及び／または永久磁石構造の温
度を安定化することは、これらの温度変動及び渦電流に
よる消散の影響に対処するための自明の方法である。

【０００８】ＧＢ−Ａ−2 341 449、ＧＢ−Ａ−2 341 4
48及びＧＢ−Ａ−2 341 447（英国特許出願第9819740.
3, 9819724.7及び9819684.2の公開公報）は、温度セン
サー、電子式加熱手段／冷却手段及びコントローラより
成る電子システムを備えたＭＲＩ磁石の温度制御装置を
開示している。

【０００９】しかしながら、かかる温度制御システム
は、比較的高価で複雑なコンポーネントの使用を必要と
する。

【００１０】従って、本発明の目的は、比較的安価な温
度制御システムを提供することにある。

【００１１】本発明の別の目的は、簡単なコンポーネン
トを用いる温度制御システムを提供することにある。

【００１２】本発明のさらに別の目的は、磁場の有意な
寄与が磁化された材料により生じる、高い温度安定性を
備えたＭＲＩ装置用磁石装置を提供することにある。

【００１３】本発明は、その１つの局面によると、第１
の状態から第２の状態へ変化する相転移温度を有する物
質と、実質的に第１の状態においてこの物質をその相転
移温度に維持する手段と、この物質と連携して該物質の
状態を示す出力信号を与えるセンサー手段と、出力信号
を受信して該物質を実質的に第１の状態でその相転移温
度に維持するための制御手段とより成る温度制御システ
ムを提供する。

【００１４】本発明の一実施例によると、該物質を実質
的に第１の状態でその相転移温度に維持する手段は、加
熱素子である。該物質から熱を除去する熱シンクをさら
に具備する。オプションとして、該物質と熱シンクの間
に位置する熱抵抗体をさらに設けてもよい。

【００１５】本発明の別の実施例によると、該物質を実
質的に第１の状態でその相転移温度に維持する手段は、
ペルチェ素子を含む。

【００１６】ペルチェ素子は、有利なことに、該物質へ
熱を与える加熱素子と、該物質から熱を除去するヒート
ポンプの両方で動作する。

【００１７】該物質は、実質的に固体である第１の状態
と、実質的に液体である第２の状態とを有するワックス
より成る。この場合、センサー手段は、第１の状態から
第２の状態への光学的変化を検知する光学的装置より成
る。光学的装置は、ワックスに浸漬された光放出素子及
び受光素子より成り、光放出素子はＬＥＤ、受光素子は
フォトダイオードであるのが好ましい。

【００１８】異なる密度と異なる相転移温度を有する液
体物質は、該物質のための対流層を形成する。液体物質
は、該物質の上方または下方において対流層を形成す
る。

【００１９】該物質は、実質的に液体である第１の状態
と実質的に気体である第２の状態とを有する冷却用液体
より成る。この場合、センサー手段は、冷却用液体が第
１の状態から第２の状態へ変化する際の圧力変化を検知
するよう接続された圧力センサーより成る。さらに、第
２の状態の冷却用液体を凝縮するための凝縮チェンバが
設けられ、圧力センサーは凝縮チェンバ内の圧力変化を
検知するように接続される。

【００２０】本発明は、さらに別の局面では、複数の磁
気素子と、磁気素子を冷却するための温度制御システム
とを有し、該物質は磁気素子と直接接触関係にある磁気
共鳴イメージング装置を提供する。

【００２１】本発明をＭＲＩ装置の磁気構造の冷却に関
連して説明するが、かかる冷却システムは金属構造の冷
却が必要な他の用途にも転用できることがわかるであろ
う。本発明において、この磁気構造は低炭素鋼より成
る。

【００２２】図１は、本発明によるＭＲＩ装置の一部１
０を示す。この装置１０は、複数の磁気素子１４が収容
されたハウジング１２を有する。磁気素子は強磁性及び
／または永久磁石構造より成り、特定のＭＲＩ装置によ
り任意適当なサイズ、形状または構成を有することがわ
かるであろう。

【００２３】本発明によると、磁気素子１４は、融解温
度が磁気素子１４の動作温度に近い物質１６により、そ
れと接触関係に取り囲まれている。典型的な動作温度は
３０℃の周辺であるが、動作温度として他の任意適当な
温度を使用できることが分かるであろう。物質１６は、
固体と液体の間の相転移温度が３０℃の動作温度である
ワックスより成る。即ち、ワックスは融解温度にある
が、依然として実質的に固体である。かかるワックスの
一例は、Honeywell Speciality Waxes & Additives社製
の Astorstat 31である。

【００２４】センサー１８はワックス１６中に浸漬さ
れ、コントローラ２０へ制御信号を与えて、ワックス１
６がその相転移温度で実質的に固体の状態を保つように
する。センサー１８は、接続部２２、２４によりコント
ローラ２０に接続されている。センサー１８及びその動
作は、以下においてさらに説明する。

【００２５】ワックス１６が実質的に固体であるため、
センサー１８をその内部に浸漬できるようにするには加
熱する必要があり、センサーは、ワックスが冷却されて
再び固体になるとその内部に留まる。

【００２６】コントローラ２０もまた、接続部２８、３
０を介して加熱素子２６に接続されている。加熱素子２
６は、コントローラ２０により制御され、ワックス１６
を、周囲温度よりも高い、磁気素子１４の動作温度周辺
のその相転移温度に加熱する。ワックス１６が余りにも
高温になると、即ち固体よりも液体部分が多くなると、
加熱素子２６がオフになり、ワックス１６が実質的に固
体に戻る。

【００２７】ハウジング１２はまた、熱抵抗体３２を介
して熱シンク３４にリンクされている。熱抵抗体３２
は、例えばテフロンまたはカプトン（共にデュポン社の
登録商標）のようなシート状プラスチック材料であり、
その熱抵抗はシートの厚さに応じて決まる。熱シンク３
４は装置１０の勾配コイル冷却水供給源（図示せず）へ
熱的にリンクされているが、これは平均して、ワックス
１６の融解温度よりも低い温度を持つと想定されてい
る。例えば、熱シンク３４は周囲温度にある。

【００２８】図２に示す本発明の別の実施例において、
ハウジング１２は熱シンク３４からペルチェ素子３６に
より離隔することが可能である。このペルチェ素子３６
は、ワックス１６から熱を抽出するヒートポンプとし
て、またワックス１６へ熱を供給する加熱素子として動
作できる。この場合、加熱素子２６は不要であり、ペル
チェ素子３６はコントローラ２０（図示せず）に接続さ
れる。ヒートポンプとして働くペルチェ素子３６は、ハ
ウジング１２から熱を除去し、その熱を熱シンク３４へ
伝達して消散させるために使用される。上述したよう
に、熱シンク３４は周囲温度でよい。ワックス１６の温
度が低すぎると、即ちその相転移温度よりも低いと、ペ
ルチェ素子３６は加熱素子として動作してワックス１６
を加熱し、その温度を上昇させる。ハウジング１２の壁
部分１２ａは、ペルチェ素子３６とワックス１６の間の
インターフェイスとして働く。

【００２９】図１及び２に示す本発明の実施例による
と、ワックス１６はその相転移温度または融解温度にあ
るが、依然として実質的に固体であることが不可欠であ
る。これは、磁気素子１４が発生する熱を実質的に固体
のワックス１６が利用して液体の状態へ変移することを
意味する。

【００３０】コントローラ２０は、ワックス１６へ注入
される熱と、ＭＲＩ装置の動作時、ワックス１６から除
去される熱との間のバランス状態を維持するように動作
することが容易にわかる。これは、以下の式により表わ
すことができる。

【００３１】Ｑ（加熱素子）＋Ｑ（磁気素子）＝定数 上式において、Ｑ（加熱素子）は、加熱素子２６または
ペルチェ素子３６により供給される熱であり、Ｑ（磁気
素子）は、磁気素子１６により供給される熱である。

【００３２】定数は、ワックス１６がその相転移温度に
あるが、実質的に固体の状態に維持されるように選択さ
れる。

【００３３】ＭＲＩ装置が動作中でない場合、磁気素子
１４は熱を放出しない。これは、加熱素子２６またはペ
ルチェ素子３６がコントローラ２０の制御下で全ての熱
を供給するため、ワックス１６がその相転移温度に留ま
れることを意味する。

【００３４】ＭＲＩ装置の動作時、磁気素子１６から熱
が放散する。したがって、バランスを保つために、加熱
素子２６またはペルチェ素子３６からの熱入力を減少す
ることが可能である。動作については、センサー１８は
ワックス１６が固体から液体へ変化したか否かを判定
し、コントローラ２０へ信号を送って、加熱素子２６を
オフにするか、またはペルチェ素子３６の動作モードを
加熱モードからヒートポンプモードに変換して、ワック
ス１６から熱を除去する。

【００３５】図３はセンサー１８を示す。このセンサー
１８は、ＬＥＤのような光放出素子３８と、フォトダイ
オードのような受光素子４０とを有する。光放出素子３
８は接続部２４によりコントローラ２０に接続され、ま
た受光素子４０は接続部２２によりコントローラ２０に
接続される。接続部２４は光放出素子３８に電力を供給
し、接続部２２は物質１６の温度を示す信号を受光素子
４０から受ける。これらの信号はコントローラ２０（図
１）が利用して、接続部２８、３０（図１にも示す）を
介して加熱素子２６を、また図２に示すペルチェ素子３
６を（コントローラ２０への接続部は図示せず）制御す
る。

【００３６】センサー１８はワックス１６に浸漬されて
いるため、ワックス１６は電気絶縁性であり、非腐蝕性
であることがわかる。このタイプのワックスを選択する
訳は、固体の時は光を散乱させるが液体の時は透明であ
るからである。これは、光放出素子３８の光出力を一定
にするために、ワックス１６が液体の時は受光素子４０
が強い信号を受信し、またワックス１６が固体の時は弱
い信号を受信することを意味する。センサー１８は、簡
単なオン・オフスイッチとして働くことがわかるであろ
う。

【００３７】図１において、加熱素子２６は、コントロ
ーラ２０により、センサー１８からの信号に応じて、オ
ンとオフに切り替えられる。受光素子４０が強い信号を
受けると、ワックス１６はもはや実質的に固体でなく、
このため、ワックス１６が冷却されて実質的に固体に戻
ったことを示す弱い信号を受光素子４０が受けるまで加
熱素子２６はオフ状態にされる。

【００３８】上述したように、ペルチェ素子３６は、コ
ントローラ２０により、加熱素子またはヒートポンプの
何れかとして作動される。この実施例において、受光素
子４０が強い信号を受信する時は、ワックス１６は実質
的に液体であり、ペルチェ素子３６は加熱素子からヒー
トポンプへ切り替えられる。信号の強さが再び減少する
と、ペルチェ素子３６は再び加熱素子に切り替えられ
る。

【００３９】コントローラ２０は、受光素子４０からの
出力信号が設定しきい値以下の時はオンに、出力信号が
別の予め設定した値に到達するとオフに、図１の加熱素
子２６を切り替えるためのシュミットトリガーを組み込
んでもよい。このシュミットトリガーはまた、図２のペ
ルチェ素子３６を加熱素子とヒートポンプの間で切り替
える。

【００４０】図１−３を参照して説明した本発明の変形
例では、磁気素子１４はほぼ平らな態様で分布してい
る。平面内における温度分布状況を改善するために、液
体の物質４２、例えば別のワックスや異なる密度及び低
い融点を有する他の適当な材料を、ワックス１６上の層
として付加する。これを図４に示す。この液体ワックス
４２は、磁気素子１４の動作範囲に亘って液体の状態を
保つ必要がある。ワックス１６とは異なる密度を持つた
め、この液体ワックス４２はワックス１６の頂部上に浮
遊するかあるいはその下に沈んでいる。液体ワックス４
２は、対流により熱を効果的に分布させる。前と同様、
加熱素子２６及びセンサー１８（図４に図示せず）を、
図１に示すコントローラ２０と共にワックス１６に設け
る。同様に、液体ワックス４２は、加熱素子２６をペル
チェ素子３６で置き換えた図２の実施例に使用可能であ
る。液体のワックス４２を用いる図１及び２の実施例の
動作は、上述したものと同じである。

【００４１】本発明の別の実施例では、温度制御機構と
してワックスの相転移温度を利用する代わりに、特定の
圧力における冷却媒体の蒸発を温度制御機構として利用
できる。かかる構成を図５に示す。

【００４２】図５において、磁気素子１４は冷却用液体
４４と接触関係にある。再び、冷却用液体４４は、その
相転移温度にあるように、即ち液体と気体の間にあるよ
うに選択される。磁気素子１４による熱の放散に起因す
る液体４４の沸騰により形成される気体４６は、チュー
ブ５０を介して凝縮チェンバ４８へ排出される。凝縮チ
ェンバ４８内の気体は、導管５２を介して圧力センサー
５４と接触状態にある。圧力センサー５４は、接続部５
６を介して（図１に関連して前述したように）コントロ
ーラ２０に接続されている。圧力センサー５４からの信
号は、接続部５６を介してコントローラ２０へ送られ、
冷却用液体４４と熱接触関係にある加熱素子の動作を制
御する。凝縮チェンバ４８内の圧力がある特定の所定値
以下に低下すると、コントローラ２０は加熱素子２６を
オンにし、圧力が別の高い所定値を越えるとオフにす
る。

【００４３】図５の実施例では冷却用液体４４の温度を
制御する加熱素子２６が使用されているが、加熱素子２
６の代わりに図２に示すペルチェ素子３６を使用できる
こともわかるであろう。

【００４４】ワックス１６または冷却用液体４４から余
分の熱を除去するために対流に依存するよりも、ワック
ス１６または冷却用液体４４から熱を除去するヒートポ
ンプを備える方が好ましい場合があることがわかるであ
ろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明によるＭＲＩ装置の一実施例を
示す。

【図２】図２は、本発明によるＭＲＩ装置の別の実施例
におけるヒートポンプの位置を示す。

【図３】図３は、図１に示すＭＲＩ装置に用いる光セン
サーを示す。

【図４】図４は、図１に示すＭＲＩ装置の変形例を示
す。

【図５】図５は、本発明によるＭＲＩ装置の別の実施例
を示す。

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の状態から第２の状態へ変化する相
   転移温度を有する物質と、 実質的に第１の状態においてこの物質をその相転移温度
   に維持する手段と、 この物質と連携して該物質の状態を示す出力信号を与え
   るセンサー手段と、 出力信号を受信して該物質を実質的に第１の状態でその
   相転移温度に維持するための制御手段とより成る温度制
   御システム。
2. 【請求項２】 該物質を実質的に第１の状態でその相転
   移温度に維持する手段は、加熱素子である請求項１のシ
   ステム。
3. 【請求項３】 該物質から熱を除去する熱シンクをさら
   に具備する請求項１または２のシステム。
4. 【請求項４】 該物質と熱シンクの間に位置する熱抵抗
   体をさらに含む上記請求項のうち任意の１項のシステ
   ム。
5. 【請求項５】 該物質を実質的に第１の状態でその相転
   移温度に維持する手段は、ペルチェ素子を含む請求項１
   のシステム。
6. 【請求項６】 ペルチェ素子は、該物質へ熱を与える加
   熱素子と、該物質から熱を除去するヒートポンプの両方
   で動作する請求項５のシステム。
7. 【請求項７】 該物質は、実質的に固体である第１の状
   態と、実質的に液体である第２の状態とを有するワック
   スより成る上記請求項のうち任意の１項のシステム。
8. 【請求項８】 センサー手段は、第１の状態から第２の
   状態への光学的変化を検知する光学的装置より成る請求
   項７のシステム。
9. 【請求項９】 光学的装置は、ワックスに浸漬された光
   放出素子及び受光素子より成る請求項８のシステム。
10. 【請求項１０】 光放出素子はＬＥＤであり、受光素子
    はフォトダイオードである請求項９のシステム。
11. 【請求項１１】 異なる密度と異なる相転移温度を有
    し、該物質のための対流層を形成する液体物質をさらに
    含む上記請求項のうちの任意の１項のシステム。
12. 【請求項１２】 液体物質は、該物質の上方において対
    流層を形成する請求項１１のシステム。
13. 【請求項１３】 液体物質は該物質の下方において対流
    層を形成する請求項１２のシステム。
14. 【請求項１４】 該物質は、実質的に液体である第１の
    状態と実質的に気体である第２の状態とを有する冷却用
    液体より成る請求項１乃至６のうち任意の１項のシステ
    ム。
15. 【請求項１５】 センサー手段は、冷却用液体が第１の
    状態から第２の状態へ変化する際の圧力変化を検知する
    よう接続された圧力センサーより成る請求項１４のシス
    テム。
16. 【請求項１６】 第２の状態の冷却用液体を凝縮するた
    めの凝縮チェンバをさらに含み、圧力センサーは凝縮チ
    ェンバ内の圧力変化を検知するように接続されている請
    求項１５のシステム。
17. 【請求項１７】 複数の磁気素子と、磁気素子を冷却す
    るための上記請求項の任意の１項の温度制御システムと
    を有し、該物質は磁気素子と直接接触関係にある磁気共
    鳴イメージング装置。
18. 【請求項１８】 添付図面の図１，２，４または５の任
    意の図を参照して説明した温度制御システム。
19. 【請求項１９】 添付図面の図１，２，４または５の任
    意の図を参照して説明した磁気共鳴イメージング装置。