JP2008228765A - 冷却方法およびｍｒｉ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力用半導体素子の冷却を適切に行う冷却方法、および、そのような方法を利用するＭＲＩ装置を実現する。
【解決手段】複数の電力用半導体素子を複数の水冷ヒートシンク(302-308)でそれぞれ冷却するにあたり、前記複数の電力用半導体素子の出力値に基づいてそれら電力用半導体素子の電力損失をそれぞれ予測し、前記それぞれの電力損失の予測値に基づいて前記複数の水冷ヒートシンクの温度上昇をそれぞれ予測し、前記それぞれの温度上昇の予測値に基づいて前記複数の水冷ヒートシンクの熱抵抗をそれぞれ制御(322-328)する。記複数の水冷ヒートシンクは、冷媒が並列に供給される。前記冷媒は、単一のポンプ(350)によって供給される。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷却方法およびＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)装置に関し、特に、複数の電力用半導体素子を複数の水冷ヒートシンクでそれぞれ冷却する方法、および、そのような方法を利用するＭＲＩ装置に関する。

ＭＲＩ装置は、静磁場、勾配磁場およびＲＦ(radio frequency)磁場を用いて磁気共鳴イメージングを行うようになっている。静磁場は超電導コイル(coil)や永久磁石によって発生され、勾配磁場とＲＦ磁場は、勾配コイルとＲＦコイルに勾配電源とＲＦ電源からそれぞれ電力を供給することによって発生される。

勾配電源やＲＦ電源は、出力段に電力用半導体素子を有する。電力用半導体素子としては、例えばＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor)やパワー(power)ＭＯＳＦＥＴ(metal oxide semiconductor field effect transistor)等が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

電力用半導体素子には、冷却用のヒートシンク(heat sink)が取り付けられ、自然空冷または強制空冷によって過度の温度上昇を防止するようになっている（例えば、特許文献２，３参照）。水冷式のヒートシンクを用いる場合は、冷却水を複数のヒートシンクに直列に流通させる（例えば、特許文献４参照）。
特開平８−２１１１３９号公報 特開２０００−１３９８７３号公報 特開２００２−９４３３２号公報 特開平８−３２２６２号公報

冷却水を複数のヒートシンクに直列に流通させる場合、その流量は、流路上の電力用半導体素子の最大発熱量に合わせた流量とされる。この流量は、同じ流路上の発熱量が小さい電力用半導体素子にとっては必要以上の流量となり、また、発熱量が小さい動作状態においては、全ての電力用半導体素子にとって必要以上のものとなる。

そこで、本発明の課題は、電力用半導体素子の冷却を適切に行う冷却方法、および、そのような方法を利用するＭＲＩ装置を実現することである。

課題を解決するための発明は、第１の観点では、複数の電力用半導体素子を複数の水冷ヒートシンクでそれぞれ冷却する方法であって、前記複数の電力用半導体素子の出力値に基づいてそれら電力用半導体素子の電力損失をそれぞれ予測し、前記それぞれの電力損失の予測値に基づいて前記複数の水冷ヒートシンクの温度上昇をそれぞれ予測し、前記それぞれの温度上昇の予測値に基づいて前記複数の水冷ヒートシンクの熱抵抗をそれぞれ制御することを特徴とする冷却方法である。

課題を解決するための発明は、第２の観点では、前記複数の水冷ヒートシンクは、冷媒が並列に供給されることを特徴とする第１の観点に記載の冷却方法である。
課題を解決するための発明は、第３の観点では、前記冷媒は、単一のポンプによって供給されることを特徴とする第２の観点に記載の冷却方法である。

課題を解決するための発明は、第４の観点では、前記制御は、前記温度上昇の予測値が予め定められた値を超えたときに行われることを特徴とする第１の観点に記載の冷却方法である。

課題を解決するための発明は、第５の観点では、前記制御は、前記水冷ヒートシンクの温度が目標値に一致するように冷媒の流量を調節することにより行われることを特徴とする第４の観点に記載の冷却方法である。

課題を解決するための発明は、第６の観点では、前記制御は、フィードバック制御により行われることを特徴とする第５の観点に記載の冷却方法である。
課題を解決するための発明は、第７の観点では、前記複数の電力用半導体素子は、複数のＩＧＢＴであることを特徴とする第１の観点に記載の冷却方法である。

課題を解決するための発明は、第８の観点では、前記複数のＩＧＢＴは、勾配磁場発生用の複数系統のコイルにそれぞれ電力を供給することを特徴とする第７の観点に記載の冷却方法である。

課題を解決するための発明は、第９の観点では、前記複数系統のコイルは、３系統のコイルであることを特徴とする第８の観点に記載の冷却方法である。
課題を解決するための発明は、第１０の観点では、前記３系統のコイルは、互いに垂直な３方向に勾配を有する３つの磁場をそれぞれ発生することを特徴とする第９の観点に記載の冷却方法である。

課題を解決するための発明は、第１１の観点では、静磁場、勾配磁場およびＲＦ磁場を用いて磁気共鳴イメージングを行う装置であって、複数の水冷ヒートシンクでそれぞれ冷却される複数の電力用半導体素子と、前記複数の電力用半導体素子の出力値に基づいてそれら電力用半導体素子の電力損失をそれぞれ予測する第１の予測手段と、前記それぞれの電力損失の予測値に基づいて前記複数の水冷ヒートシンクの温度上昇をそれぞれ予測する第２の予測手段と、前記それぞれの温度上昇の予測値に基づいて前記複数の水冷ヒートシンクの熱抵抗をそれぞれ制御する制御手段を具備することを特徴とするＭＲＩ装置である。

課題を解決するための発明は、第１２の観点では、前記複数の水冷ヒートシンクは、冷媒が並列に供給されることを特徴とする第１１の観点に記載のＭＲＩ装置である。
課題を解決するための発明は、第１３の観点では、前記冷媒は、単一のポンプによって供給されることを特徴とする第１２の観点に記載のＭＲＩ装置である。

課題を解決するための発明は、第１４の観点では、前記制御は、前記温度上昇の予測値が予め定められた値を超えたときに行われることを特徴とする第１１の観点に記載のＭＲＩ装置である。

課題を解決するための発明は、第１５の観点では、前記制御は、前記水冷ヒートシンクの温度が目標値に一致するように冷媒の流量を調節することにより行われることを特徴とする第１４の観点に記載のＭＲＩ装置である。

課題を解決するための発明は、第１６の観点では、前記制御は、フィードバック制御により行われることを特徴とする第１５の観点に記載のＭＲＩ装置である。
課題を解決するための発明は、第１７の観点では、前記複数の電力用半導体素子は、複数のＩＧＢＴであることを特徴とする第１１の観点に記載のＭＲＩ装置である。

課題を解決するための発明は、第１８の観点では、前記複数のＩＧＢＴは、勾配磁場発生用の複数系統のコイルにそれぞれ電力を供給することを特徴とする第１７の観点に記載のＭＲＩ装置である。

課題を解決するための発明は、第１９の観点では、前記複数系統のコイルは、３系統のコイルであることを特徴とする第１８の観点に記載のＭＲＩ装置である。
課題を解決するための発明は、第２０の観点では、前記３系統のコイルは、互いに垂直な３方向に勾配を有する３つの磁場をそれぞれ発生することを特徴とする第１９の観点に記載のＭＲＩ装置である。

本発明によれば、複数の電力用半導体素子を複数の水冷ヒートシンクでそれぞれ冷却するにあたり、前記複数の電力用半導体素子の出力値に基づいてそれら電力用半導体素子の電力損失をそれぞれ予測し、前記それぞれの電力損失の予測値に基づいて前記複数の水冷ヒートシンクの温度上昇をそれぞれ予測し、前記それぞれの温度上昇の予測値に基づいて前記複数の水冷ヒートシンクの熱抵抗をそれぞれ制御するので、電力用半導体素子の冷却を適切に行う冷却方法、および、そのような方法を利用するＭＲＩ装置を実現することができる。

前記複数の水冷ヒートシンクは、冷媒が並列に供給されるので、熱抵抗を個々に制御することが容易である。
前記冷媒は、単一のポンプによって供給されるので、冷媒供給源の構成を簡素化することができる。

前記制御は、前記温度上昇の予測値が予め定められた値を超えたときに行われるので、制御を簡略化することができる。
前記制御は、前記水冷ヒートシンクの温度が目標値に一致するように冷媒の流量を調節することにより行われるので、電力用半導体素子を適切に冷却することができる。

前記制御は、フィードバック制御により行われるので、温度制御を適切に行うことができる。
前記複数の電力用半導体素子は、複数のＩＧＢＴであるので、電力出力を効率良く行うことができる。

前記複数のＩＧＢＴは、勾配磁場発生用の複数系統のコイルにそれぞれ電力を供給するので、複数系統の勾配磁場を発生することができる。
前記複数系統のコイルは、３系統のコイルであるので、３系統の勾配磁場を発生することができる。

前記３系統のコイルは、互いに垂直な３方向に勾配を有する３つの磁場をそれぞれ発生するので、３次元の勾配磁場を発生することができる。

以下、図面を参照して発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、本発明は、発明を実施するための最良の形態に限定されるものではない。図１にＭＲＩ装置のブロック(block)図を示す。本装置は、発明を実施するための最良の形態の一例である。本装置の構成によって、ＭＲＩ装置に関する発明を実施するための最良の形態の一例が示される。本装置の動作によって、冷却方法に関する発明を実施するための最良の形態の一例が示される。

図１に示すように、本装置はマグネットシステム(magnet system)１００を有する。マグネットシステム１００は、主磁場コイル(coil)部１０２、勾配コイル部１０６およびＲＦ(radio frequency)コイル部１０８を有する。これら各コイル部は概ね円筒状の形状を有し、互いに同軸的に配置されている。

マグネットシステム１００の内部空間（ボア：bore）に、被検体１が、クレードル(cradle)５００に横臥状態で搭載されて、図示しない搬送手段により搬入および搬出される。主磁場コイル部１０２はマグネットシステム１００の内部空間に静磁場を形成する。静磁場の方向は概ね被検体１の体軸の方向に平行である。すなわち、いわゆる水平磁場を形成する。主磁場コイル部１０２は例えば超伝導コイルを用いて構成される。なお、超伝導コイルに限らず常伝導コイル等を用いて構成してもよい。

また、マグネットシステムは、水平磁場方式のものに変えて、静磁場の方向が被検体１の体軸に垂直な垂直磁場方式のものを用いるようにしてもよい。垂直磁場方式では、例えば永久磁石が利用される。

勾配コイル部１０６は、互いに垂直な３軸、すなわち、スライス(slice)軸、位相軸および周波数軸の方向において、それぞれ静磁場強度に勾配を持たせるための３つの勾配磁場を生じる。

静磁場空間における互いに垂直な座標軸をｘ，ｙ，ｚとしたとき、いずれの軸もスライス軸とすることができる。その場合、残り２軸のうちの一方を位相軸とし、他方を周波数軸とする。また、スライス軸、位相軸および周波数軸は、相互間の垂直性を保ったままｘ，ｙ，ｚ軸に関して任意の傾きを持たせることも可能である。本装置では被検体１の体幅の方向をｘ方向とし、体厚の方向をｙ方向とし、体軸の方向をｚ方向とする。

スライス軸方向の勾配磁場をスライス勾配磁場ともいう。位相軸方向の勾配磁場を位相エンコード(encode)勾配磁場ともいう。周波数軸方向の勾配磁場をリードアウト(read out)勾配磁場ともいう。リードアウト勾配磁場は周波数エンコード勾配磁場と同義である。このような勾配磁場の発生を可能にするために、勾配コイル部１０６は３系統の勾配コイルを有する。以下、勾配磁場を単に勾配ともいう。

ＲＦコイル部１０８は、静磁場空間に被検体１の体内のスピン(spin)を励起するためのＲＦ磁場を形成する。以下、ＲＦ磁場を形成することをＲＦ励起信号の送信ともいう。また、ＲＦ励起信号をＲＦパルス(pulse)ともいう。

励起されたスピンが生じる電磁波すなわち磁気共鳴信号は、ＲＦコイル部１０８によって受信される。ＲＦコイル部１０８は、送信系と受信系が別々であって良い。磁気共鳴信号は、周波数ドメイン(domain)すなわちフーリエ(Fourier)空間についてのサンプリング(sampling)信号となる。

位相軸方向および周波数軸方向の勾配により、磁気共鳴信号のエンコードを２軸で行えば、磁気共鳴信号は２次元フーリエ空間についてのサンプリング信号として得られ、スライス勾配をも利用してエンコードを３軸で行えば３次元フーリエ空間についての信号として得られる。各勾配は、２次元あるいは３次元フーリエ空間における信号のサンプリング位置を決定する。以下、フーリエ空間をｋスペース(k-space)ともいう。

勾配コイル部１０６には勾配駆動部１３０が接続されている。勾配駆動部１３０は勾配コイル部１０６に駆動電力を与えて勾配磁場を発生させる。勾配駆動部１３０は、勾配コイル部１０６における３系統の勾配コイルに対応して、３系統の駆動回路を有する。

３系統の駆動回路は、いずれも出力段に電力用半導体素子を有する。電力用半導体素子としては例えばＩＧＢＴが用いられるが、それに限らず適宜の電力用半導体素子であって良い。以下、ＩＧＢＴを用いる場合について説明するが、他の電力用半導体素子を用いる場合も同様である。

ＩＧＢＴは、内部の電力損失によって発熱するので、水冷ヒートシンクで冷却される。水冷ヒートシンクは、その熱抵抗がＩＧＢＴの出力値に応じて制御される。水冷ヒートシンクの熱抵抗の制御については、後にあらためて説明する。

ＲＦコイル部１０８にはＲＦ駆動部１４０が接続されている。ＲＦ駆動部１４０はＲＦコイル部１０８に駆動電力を与えてＲＦパルスを送信させ、被検体１の体内のスピンを励起する。

ＲＦコイル部１０８は、出力段に電力用半導体素子を有する。電力用半導体素子としては、例えばパワーＭＯＳＦＥＴが用いられるが、それに限らず適宜の電力用半導体素子であって良い。以下、パワーＭＯＳＦＥＴを用いる場合について説明するが、他の電力用半導体素子を用いる場合も同様である。

パワーＭＯＳＦＥＴは、内部の電力損失によって発熱するので、水冷ヒートシンクで冷却される。水冷ヒートシンクは、その熱抵抗がパワーＭＯＳＦＥＴの出力値に応じて制御される。水冷ヒートシンクの熱抵抗の制御については、後にあらためて説明する。

ＲＦコイル部１０８には、また、データ(data)収集部１５０が接続されている。データ収集部１５０は、ＲＦコイル部１０８が受信した受信信号をディジタルデータ(digital data)として収集する。

勾配駆動部１３０、ＲＦ駆動部１４０およびデータ収集部１５０にはシーケンス(sequence)制御部１６０が接続されている。シーケンス制御部１６０は、勾配駆動部１３０ないしデータ収集部１５０をそれぞれ制御して磁気共鳴信号の収集を遂行する。

シーケンス制御部１６０は、例えばコンピュータ(computer)等を用いて構成される。シーケンス制御部１６０はメモリ(memory)を有する。メモリはシーケンス制御部１６０用のプログラム(program)および各種のデータを記憶している。シーケンス制御部１６０の機能は、コンピュータがメモリに記憶されたプログラムを実行することにより実現される。以下、スピンの励起とそれに引き続く磁気共鳴信号の収集をスキャン(scan)ともいう。

データ収集部１５０の出力側はデータ処理部１７０に接続されている。データ収集部１５０が収集したデータはデータ処理部１７０に入力される。データ処理部１７０は、例えばコンピュータ等を用いて構成される。データ処理部１７０はメモリを有する。メモリはデータ処理部１７０用のプログラムおよび各種のデータを記憶している。

データ処理部１７０はシーケンス制御部１６０に接続されている。データ処理部１７０はシーケンス制御部１６０の上位にあってそれを統括する。データ処理部１７０の機能は、データ処理部１７０がメモリに記憶されたプログラムを実行することによりを実現される。

データ処理部１７０は、データ収集部１５０が収集したデータをメモリに記憶する。メモリ内にはデータ空間が形成される。このデータ空間はｋスペースに対応する。データ処理部１７０は、ｋスペースのデータを逆フ−リエ変換することにより画像を再構成する。

データ処理部１７０には、表示部１８０および操作部１９０が接続されている。表示部１８０はグラフィックディスプレー(graphic display)等で構成される。操作部１９０はポインティングデバイス(pointing device)を備えたキーボード(keyboard)等で構成される。

表示部１８０は、データ処理部１７０から出力される再構成画像および各種の情報を表示する。操作部１９０は、使用者によって操作され、各種の指令や情報等をデータ処理部１７０に入力する。使用者は、表示部１８０および操作部１９０を通じてインタラクティブ(interactive)に本装置を操作することが可能である。

図２に、スキャン用のパルスシーケンス(pulse sequence)の一例を示す。このパルスシーケンスは、グラディエントエコー(gradient echo)法によるパルスシーケンスである。図２において、（１）はＲＦ励起のシーケンスを示す。（２）−（４）はいずれも勾配磁場のシーケンスを示す。（５）は磁気共鳴信号のシーケンスを示す。勾配磁場のシーケンスのうち、（２）はスライス勾配、（３）は周波数エンコード勾配、（４）は位相エンコード勾配である。なお、静磁場は一定の磁場強度で常時印加されている。以下同様である。

先ず、ＲＦパルスによるスピン励起が行われる。ＲＦ励起はスライス勾配Sliceの下での選択励起である。ＲＦ励起後に、周波数エンコード勾配Readおよび位相エンコード勾配Phaseが所定のシーケンスで印加され、磁気共鳴信号Signalすなわちエコー(echo)が読み出される。このエコーはイメージングエコーとも呼ばれる。

このようなパルスシーケンスが、繰り返し時間ＴＲで所定回数繰り返され、そのつど、エコーが読み出される。繰り返しのたびにエコーの位相エンコードが変更され、所定回数の繰り返しによって、２次元ｋスペース全体についてのエコー信号収集（２Ｄスキャン）が行われる。なお、スライス方向にも位相エンコードを行うときは、３次元ｋスペースについてのエコー信号収集（３Ｄスキャン）が行われる。２次元ｋスペースのエコーデータを２次元逆フーリエ変換することにより２Ｄ画像が再構成される。３次元ｋスペースのエコーデータを３次元逆フーリエ変換することにより３Ｄ画像が再構成される。

図３に、ヒートシンク制御系の一例のブロック図を示す。ヒートシンク制御系は、勾配駆動部１３０およびＲＦ駆動部１４０の一部を構成する。図３に示すように、４つの水冷ヒートシンク３０２，３０４，３０６，３０８が、共通のポンプ(pump)３５０によって並列に給水される。並列な４つの給水路には、コントロールバルブ(control valve)３１２，３１４，３１６，３１８がそれぞれ設けられる。

コントロールバルブ３１２，３１４，３１６，３１８に対応して、制御ユニット(unit)３２２，３２４，３２６，３２８がそれぞれ設けられる。制御ユニット３２２，３２４，３２６，３２８は、コントロールバルブ３１２，３１４，３１６，３１８を介して、水冷ヒートシンク３０２，３０４，３０６，３０８の冷却水の流量をそれぞれ制御するものである。以下、水冷ヒートシンクを単にヒートシンクともいう。

冷却水の流量によってヒートシンク３０２，３０４，３０６，３０８の熱抵抗がそれぞれ変化する。したがって、制御ユニット３２２，３２４，３２６，３２８は、結局ヒートシンク３０２，３０４，３０６，３０８の熱抵抗を制御することになる。制御ユニット３２２，３２４，３２６，３２８は、本発明における制御手段の一例である。

制御ユニット３２２，３２４，３２６，３２８には、制御の目標値TGが個々に設定され、また、温度センサ(sensor)３３２，３３４，３３６，３３８からヒートシンク３０２，３０４，３０６，３０８の温度信号がそれぞれフィードバック(feed back)される。

制御ユニット３２２，３２４，３２６，３２８は、各目標値TGとヒートシンク３０２，３０４，３０６，３０８の温度の差に基づいて冷却水の流量をそれぞれ制御し、ヒートシンク３０２，３０４，３０６，３０８の温度をそれぞれの目標値TGに一致させる。

図４に、ヒートシンク制御系の他の例のブロック図を示す。ヒートシンク制御系は、勾配駆動部１３０およびＲＦ駆動部１４０の一部を構成する。図４に示すように、４つのヒートシンク３０２，３０４，３０６，３０８が、共通のポンプ３５０によって並列に給水される。並列な４つの給水路には、コントロールバルブ３１２，３１４，３１６，３１８がそれぞれ設けられる。

コントロールバルブ３１２，３１４，３１６，３１８に対応して、制御ユニット３２２，３２４，３２６，３２８がそれぞれ設けられる。制御ユニット３２２，３２４，３２６，３２８は、コントロールバルブ３１２，３１４，３１６，３１８を介して、ヒートシンク３０２，３０４，３０６，３０８の冷却水の流量をそれぞれ制御するものである。

制御ユニット３２２，３２４，３２６，３２８には、制御の目標値TGが個々に設定され、また、流量センサ３４２，３４４，３４６，３４８からヒートシンク３０２，３０４，３０６，３０８の冷却水の流量信号がそれぞれフィードバックされる。

制御ユニット３２２，３２４，３２６，３２８は、各目標値TGとヒートシンク３０２，３０４，３０６，３０８の冷却水流量の差に基づいてコントロールバルブ３１２，３１４，３１６，３１８開度をそれぞれ制御し、ヒートシンク３０２，３０４，３０６，３０８の冷却水の流量をそれぞれの目標値TGに一致させる。

冷却水の流量によってヒートシンク３０２，３０４，３０６，３０８の熱抵抗がそれぞれ変化する。したがって、制御ユニット３２２，３２４，３２６，３２８は、結局ヒートシンク３０２，３０４，３０６，３０８の熱抵抗を制御することになる。

ヒートシンク３０２，３０４，３０６は、３系統の勾配コイルをそれぞれ駆動する３つのＩＧＢＴをそれぞれ冷却する。ヒートシンク３０８は、ＲＦコイルを駆動するパワーＭＯＳＦＥＴを冷却する。

ヒートシンク３０ｉ（ｉ：２，４，６，８）は、いずれも、例えば図５に示すように、銅ブロック４００の内部に冷却水の流路４０２が形成されたものとなっている。なお、図５の（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。このようなヒートシンク３０ｉの上に、例えば図６に示すように、ＩＧＢＴまたはパワーＭＯＳＦＥＴのパッケージ(package)６００が取り付けられる。

制御の目標値TGは、シーケンス制御部１６０によって設定される。シーケンス制御部１６０は、スキャンプロトコル(scan protocol)に応じて、制御ユニット３２２，３２４，３２６，３２８ごとに制御の目標値TGを設定する。なお、目標値の設定は、データ処理部１７０で行うようにしても良い。シーケンス制御部１６０またはデータ処理部１７０は、所定のプログラムによって目標値設定を遂行する。

目標値設定に当たり、シーケンス制御部１６０（またはデータ処理部１７０）は、スキャンプロトコルから個々の電力用半導体素子の電力損失を予測し、電力損失の予測値に基づいてヒートシンク３０２，３０４，３０６，３０８の温度上昇を個々に予測し、温度上昇の予測値に基づいて熱抵抗制御用の目標値TGを個々に設定する。

目標値の設定について説明する。先ず、電力用半導体素子の電力損失の予測について説明する。電力用半導体素子がＩＧＢＴであるときは、電力損失はコンダクションロス(conduction loss)とスイッチングロス(switching loss)に分けられ、次式で与えられる。

また、コンダクションロスとスイッチングロスは、それぞれ次式で与えられる。

単純化するためにスイッチングエネルギーは電流に比例すると仮定すると、電源電圧が一定なとき、

は定数であり、下記のように表わされる。

ここで、

はスイッチング周波数であり、

は単位電流当たりのスイッチングエネルギーである。
一方、

は下記のように表わされる。

よって、ＩＧＢＴの電力損失は、

となる。
ここで、

はＩＧＢＴの特性に関する既知のパラメータ(parameter)であり、

はＩＧＢＴの出力電流である。
したがって、ＩＧＢＴの電力損失は出力電流に応じて予測することができる。出力電流はスキャンプロトコルによって定まるので、結局電力損失をスキャンプロトコルから予測することができる。このような計算に関わるシーケンス制御部１６０（またはデータ処理部１７０）は、本発明における第１の予測手段の一例である。

次に、ヒートシンクの温度上昇の予測について説明する。ヒートシンクの温度上昇は次式で与えられる。

ここで、

はヒートシンクの熱抵抗である。
温度上昇の予測は、この式に電力損失の予測値を当てはめて行う。その際、ヒートシンクの熱抵抗の値は、無制御状態における標準値を用いる。無制御状態における標準値とは、冷却水の標準流量のもとでの熱抵抗である。このような計算に関わるシーケンス制御部１６０（またはデータ処理部１７０）は、本発明における第２の予測手段の一例である。

制御の目標値は、温度上昇の予測値を所定の基準値と比較し、それらの大小関係に基づいて設定する。すなわち、温度上昇の予測値が所定の基準値を超えるときは、予め定められた温度値を制御の目標値とする。この温度値は、温度上昇の予測値よりも小さい値である。これに対して、温度上昇の予測値が所定の基準値を超えないときは、制御の目標値を特に定めずに無制御状態とするか、あるいは、温度上昇の予測値を制御の目標値とする。

以上は、図３に示したように温度を目標値とする場合であるが、図４に示したように流量を目標値とする場合は、予めわかっている冷却水流量と熱抵抗の関係を利用して、流量の目標値が設定される。

パワーＭＯＳＦＥＴについても同様に、スキャンプロトコルと既知のパラメータから電力損失を予測し、電力損失予測値に基づいてヒートシンクの温度上昇を予測し、温度上昇予測値に基づいて熱抵抗制御用の目標値を設定する。目標値は温度または流量である。

目標値設定は、専用の電気回路で行うようにしても良い。図７に、目標値設定用の電気回路の一例を示す。図７に示すように、目標値設定回路は、ＯＰアンプを用いた７段の回路となっている。このような回路が、ＩＧＢＴごとに設けられる。

入力信号Ｉ_ＩＧＢＴが、初段のＯＰアンプ(operational amplifier)Ａ１，Ａ２に並列に入力される。入力信号Ｉ_ＩＧＢＴは、ＩＧＢＴの出力電流値を表わす。入力信号Ｉ_ＩＧＢＴは、ＯＰアンプＡ１，Ａ２で絶対値信号に変換される。

絶対値信号は、第２段のＯＰアンプＡ３，Ａ４，Ａ５で２乗信号

に変換される。２乗信号は、第３段のＯＰアンプＡ６で

倍される。これによって、Ａ点に信号

が得られる。
第３段では、また、初段の絶対値出力が、ＯＰアンプＡ７で

倍される。これによって、Ｂ点に信号

が得られる。
第４段では、Ａ点の信号とＢ点の信号の和が、ＯＰアンプＡ８で

倍される。これによって、Ｃ点に信号

が得られる。この信号はヒートシンクの温度上昇の予測値となる。
第５段では、ＯＰアンプＡ９で、温度上昇予測値にヒートシンクの温度時定数が付与される。第５段では、また、ＯＰアンプＡ１０から外気温度設定値が与えれれる。

第６段では、ＯＰアンプＡ１１により、時定数を持つ温度上昇予測値と外気温度設定値の和の信号が形成される。この信号は、ヒートシンクの温度予測値となる。
ヒートシンクの温度予測値は、ＯＰアンプＡ１２により基準値と比較される。ＯＰアンプＡ１２は、出力信号によってスイッチＳの切り換えを制御する。これによって、スイッチＳは、温度予測値が基準値を超えるときは接点ａ側に切り換えられ、温度予測値が基準値を超えないときは接点ｂ側に切り換えられる。

接点ａは、抵抗分圧回路から目標値が与えられており、接点ｂは、開放または温度予測値が与えられるようになっている。このため、温度予測値が基準値を超えるときは、抵抗分圧回路で設定された目標値が制御の目標値TGとなり、温度予測値が基準値を超えないときは、制御の目標値が与えられないか、あるいは、温度予測値が制御の目標値となる。

以上はＩＧＢＴについての目標値設定回路の一例であるが、パワーＭＯＳＦＥＴについても、同様な目標値設定回路を構成することができる。また、同様にして、流量目標値を設定する回路を構成することができる。

このように設定された目標値によってヒートシンクの熱抵抗を制御することにより、全てのヒートシンクに冷却水が過不足なく供給される。したがって、電力用半導体素子の冷却を適切に行うことができる。なお、電力用半導体素子は、ＭＲＩ装置で使用されるものに限らず、種々のパワーエレクトロニクス(power electronics)装置で使用される電力用半導体素子であって良い。

発明を実施するための最良の形態の一例のＭＲＩ装置のブロック図である。 スキャン用のパルスシーケンスの一例を示す図である。 ヒートシンク制御系の一例を示すブロック図である。 ヒートシンク制御系の他の例を示すブロック図である。 ヒートシンクの一例を示す図である。 ヒートシンクへの電力用半導体素子パッケージの取り付け状態を示す図である。 目標値設定用の電気回路の一例を示す図である。

符号の説明

１００ ： マグネットシステム
１０２ ： 主磁場コイル部
１０６ ： 勾配コイル部
１０８ ： ＲＦコイル部
１３０ ： 勾配駆動部
１４０ ： ＲＦ駆動部
１５０ ： データ収集部
１６０ ： シーケンス制御部
１７０ ： データ処理部
１８０ ： 表示部
１９０ ： 操作部
３０２，３０４，３０６，３０８ ： 水冷ヒートシンク
３１２，３１４，３１６，３１８ ： コントロールバルブ
３２２，３２４，３２６，３２８ ： 制御ユニット
３３２，３３４，３３６，３３８ ： 温度センサ
３４２，３４４，３４６，３４８ ： 流量センサ
３５０ ： ポンプ
４００ ： 銅ブロック
４０２ ： 流路
６００ ： 電力用半導体素子

Claims (20)

1. 複数の電力用半導体素子を複数の水冷ヒートシンクでそれぞれ冷却する方法であって、
   前記複数の電力用半導体素子の出力値に基づいてそれら電力用半導体素子の電力損失をそれぞれ予測し、
   前記それぞれの電力損失の予測値に基づいて前記複数の水冷ヒートシンクの温度上昇をそれぞれ予測し、
   前記それぞれの温度上昇の予測値に基づいて前記複数の水冷ヒートシンクの熱抵抗をそれぞれ制御する
   ことを特徴とする冷却方法。
2. 前記複数の水冷ヒートシンクは、冷媒が並列に供給される
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷却方法。
3. 前記冷媒は、単一のポンプによって供給される
   ことを特徴とする請求項２に記載の冷却方法。
4. 前記制御は、前記温度上昇の予測値が予め定められた値を超えたときに行われる
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷却方法。
5. 前記制御は、前記水冷ヒートシンクの温度が目標値に一致するように冷媒の流量を調節することにより行われる
   ことを特徴とする請求項４に記載の冷却方法。
6. 前記制御は、フィードバック制御により行われる
   ことを特徴とする請求項５に記載の冷却方法。
7. 前記複数の電力用半導体素子は、複数のＩＧＢＴである
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷却方法。
8. 前記複数のＩＧＢＴは、勾配磁場発生用の複数系統のコイルにそれぞれ電力を供給する
   ことを特徴とする請求項７に記載の冷却方法。
9. 前記複数系統のコイルは、３系統のコイルである
   ことを特徴とする請求項８に記載の冷却方法。
10. 前記３系統のコイルは、互いに垂直な３方向に勾配を有する３つの磁場をそれぞれ発生する
    ことを特徴とする請求項９に記載の冷却方法。
11. 静磁場、勾配磁場およびＲＦ磁場を用いて磁気共鳴イメージングを行う装置であって、
    複数の水冷ヒートシンクでそれぞれ冷却される複数の電力用半導体素子と、
    前記複数の電力用半導体素子の出力値に基づいてそれら電力用半導体素子の電力損失をそれぞれ予測する第１の予測手段と、
    前記それぞれの電力損失の予測値に基づいて前記複数の水冷ヒートシンクの温度上昇をそれぞれ予測する第２の予測手段と、
    前記それぞれの温度上昇の予測値に基づいて前記複数の水冷ヒートシンクの熱抵抗をそれぞれ制御する制御手段
    を具備することを特徴とするＭＲＩ装置。
12. 前記複数の水冷ヒートシンクは、冷媒が並列に供給される
    ことを特徴とする請求項１１に記載のＭＲＩ装置。
13. 前記冷媒は、単一のポンプによって供給される
    ことを特徴とする請求項１２に記載のＭＲＩ装置。
14. 前記制御は、前記温度上昇の予測値が予め定められた値を超えたときに行われる
    ことを特徴とする請求項１１に記載のＭＲＩ装置。
15. 前記制御は、前記水冷ヒートシンクの温度が目標値に一致するように冷媒の流量を調節することにより行われる
    ことを特徴とする請求項１４に記載のＭＲＩ装置。
16. 前記制御は、フィードバック制御により行われる
    ことを特徴とする請求項１５に記載のＭＲＩ装置。
17. 前記複数の電力用半導体素子は、複数のＩＧＢＴである
    ことを特徴とする請求項１１に記載のＭＲＩ装置。
18. 前記複数のＩＧＢＴは、勾配磁場発生用の複数系統のコイルにそれぞれ電力を供給する
    ことを特徴とする請求項１７に記載のＭＲＩ装置。
19. 前記複数系統のコイルは、３系統のコイルである
    ことを特徴とする請求項１８に記載のＭＲＩ装置。
20. 前記３系統のコイルは、互いに垂直な３方向に勾配を有する３つの磁場をそれぞれ発生する
    ことを特徴とする請求項１９に記載のＭＲＩ装置。

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