JP4151761B2 - 緊急保全機能を備えたパルス管冷凍システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的にはパルス管冷凍機(PTR)に関し、具体的には補助パワー源を備えたパルス管冷凍システム(PTRS)に関するものである。
【0002】
【発明の背景】
1970年代における磁気共鳴イメージング(MRI)スキャナの導入により診断医学に画期的な変革が生じた。MRIスキャナは磁場と複数の無線周波信号を用いて、身体組織の即時の写像及び分析を可能にする。
【0003】
典型的なMRIスキャナは超伝導磁石を含んでいる。当業者に理解さていれるように、超伝導磁石は、磁場を発生するために電流を通すワイヤ・コイル又は巻線を有している。更に、ワイヤを典型的には液体ヘリウムによって冷却することにより、ワイヤが超伝導状態にされて、ワイヤを通る電流が永久的に持続し、磁石が電源システムとは無関係になる。
【0004】
現今のMRIスキャナは、超伝導磁石を冷却するためにパルス管冷凍機(PTR)を使用することができる。PTRは典型的には、電動コンプレッサと、電気モータによって駆動される回転弁とを含んでいる。無停電電源装置がMRIスキャナに必要な電力を供給していない場合には、MRIスキャナは停電の際には通常運転停止させなければならない。その上、液体冷凍剤の貯蔵量が不十分な場合は超伝導磁石のクエンチが生じることがある。当業者には理解さていれるように、クエンチは、超伝導体が抵抗性になって、ほぼ全ての冷凍剤を追い出し、バースト・ディスクを破砕し、最終的には磁石の再立上げ(re-ramp) を必要とするプロセスを表す。その結果、磁石を運転状態に戻すためにコストのかかる様々なプロセスが必要とされることがある。例えば、再立上げ時に磁場を再調整する経費のかかる試みが必要とされることがある。このような事態は明らかに望ましくない。
【0005】
従って、停電の場合にMRIスキャナのPTRを動作させ続ける、すなわち、停電のライドスルー(ride-through;緊急保全機能)を備えたパルス管冷凍システム(PTRS)を提供する必要性が存在する。
【特許文献1】
米国特許第6412290号
【0006】
【発明の概要】
本発明の目的は、電源装置の停止の場合にパルス管冷凍機(PTR)が運転できるようにすることである。本発明の更に別の目的は、PTRの冷却効率を改善することである。
【0007】
本発明の上記及びその他の目的に従って、電源装置の停止の際にPTR内に適切な流体圧力を維持するための方法及びシステムを提供する。
【0008】
本書では、PTRのためのライドスルー予備力(reserve) を供給する方法及びシステムを開示する。本方法及びシステムでは、電源装置の停止の際にPTRへ所望の流体圧力及び補助パワーを供給するために使用される加圧タンクが設けられる。圧力調整弁(圧力弁)により、加圧タンクから流体をPTR内へ放出させる。また、パワー調整弁(パワー弁)により、加圧タンクから、空気モータを駆動するための一容積の駆動ガスを放出させる。空気モータはPTRの回転弁を駆動する。また、放出弁により、流体圧力を所定の圧力範囲まで下げるためにPTRから流体を放出させる。
【0009】
本発明の他の目的及び利点は、添付の図面を参照した以下の説明及び特許請求の範囲から明白になろう。
【0010】
本発明をより完全に理解するために、本発明の様々な例として添付の図面に示し且つ以下に説明する実施形態を参照されたい。
【0011】
【発明の実施のための最良の形態】
本発明を、本書では、特に磁気共鳴イメージング(MRI)スキャナに適したパルス管冷凍システム(PTRS)に関して例示する。しかしながら、本発明は冷凍を必要とする可能性のある様々な他の用途に適用可能である。
【0012】
図1を参照すると、本発明の好ましい実施形態によるライドスルーを備えたパルス管冷凍システム(PTRS)10が示されている。これに関連して、用語「ライドスルー(緊急保全機能)」は、PTRS10の冷却流体として且つ空気圧構成部品の駆動力として作用する加圧流体によって与えられる補助パワー予備力を有する。
【0013】
PTRS10は通常のパルス管冷凍機(PTR)12を含んでおり、またMRI磁石のような負荷14を冷却するための流体(図示せず)を用いる。一般的には、ヘリウムがPTRに使用される好ましい作業流体である。しかしながら、他の流体を利用してもよい。
【0014】
PTR12は、典型的には外部の電源装置18によって給電される電動コンプレッサ16を含んでいる。電動コンプレッサ16は二段対向往復動ピストンを有するものであってよい。このような構成では典型的にはPTRSにおける振動が低減される。勿論、他の構成のコンプレッサを希望により使用してもよい。電動コンプレッサ16は流体の流体圧力を所定の圧力範囲まで増大させる。MRIスキャナ用のPTRは典型的には、1.75気圧の最低圧力値と6.0気圧の最高圧力値とを持つ所定の圧力範囲を必要とする。明らかに、このような圧力振動範囲は、システムの要求に応じて別の範囲であってよい。当業者が理解しているように、電動コンプレッサ16は流体圧力を増大させ、もって流体温度を上昇させる。
【0015】
アフタークーラー20が電動コンプレッサ16に結合されていて、それから流体を受け取る。アフタークーラー20においては、流体から熱が除去されて、その流体の冷却能力を高める。典型的には、アフタークーラー20に隣接して結合された水冷ループ(図示せず)へ流体から熱を伝達することによって、流体は冷却される。
【0016】
回転弁22がアフタークーラー20に結合されていて、アフタークーラー20から流体を受け取る。回転弁22は、電気モータ24によって駆動されて、流体圧力を所定の圧力範囲の最低及び最高圧力値の間で振動させる。MRIスキャナの場合、回転弁は好ましくは流体圧力を1.75気圧と6.0気圧との間で振動させる。前に述べたように、圧力振動範囲は希望により他のものであってよい。
【0017】
蓄冷器(regenerator) 26が回転弁22に結合されていて、回転弁22から流体を受け取る。当該分野で公知のように、蓄冷器26は流体と外部源との間で熱を伝達せず、しかも流体の冷却能力を最適化するように流体の現在の低い温度を維持する。
【0018】
低温熱交換器28が蓄冷器26に結合されていて、蓄冷器26から流体を受け取る。低温熱交換器28において、流体がPTRS10内の負荷14から熱を受け取る。負荷14はMRIスキャナ用の超伝導磁石や、冷凍を必要とする様々な他の熱源であってよい。
【0019】
パルス管30が低温熱交換器28に結合されていて、低温熱交換器28から流体を受け取る。パルス管30において、流体圧力と流体の流れとの間の所望の位相関係により、熱をパルス管30の低温端(図示せず)からパルス管30の暖温端(図示せず)へ輸送することができる。換言すると、該位相関係により、負荷14から遠ざけるようにパルス管30を通って熱を輸送することが可能になる。
【0020】
高温熱交換器32がパルス管30の暖温端に結合されていて、パルス管30から流体を受け取る。高温熱交換器32において、熱が流体から高温熱交換器32の表面を通ってヒートシンクへ伝達される。典型的には、ヒートシンクは、高温熱交換器32の表面に沿ってPTR12を循環する空気の流れである。
【0021】
溜め34がオリフィス36を介して高温熱交換器32に動作上結合されている。当該分野で公知のように、オリフィス36及び溜め34は協力して、PTR12内の所望の熱流を可能にするのに必要な位相シフトを行う。
【0022】
本発明の好ましい実施形態では、図1に示すように、PTR12は冷凍能力を高めるために二段構成を有する。この二段には第1段38と同様な第2段40とが含まれている。第1段は蓄冷器26、低温熱交換器28、パルス管30、高温熱交換器32、オリフィス36及び溜め34を含んでいる。第2段は、第1段に相互接続され且つ第1段と同様に動作し、好ましくは、蓄冷器26’、低温熱交換器28’、パルス管30’、高温熱交換器32’、オリフィス36’及び溜め34’を含んでいる。二段構成によれば、第1段38の低温熱交換器28が負荷14から熱を除去すると共に、第2段40の高温熱交換器32’を冷却する。その結果、第2段40の低温熱交換器28’の冷却能力が高められる。
【0023】
PTRS10は更に、電源装置の停止・故障の際に負荷14を冷却するための予備量の流体(例えば、ヘリウム)を収容する加圧タンク42を含んでいる。動作時には、加圧タンク42は所定の圧力範囲内の流体圧力をPTRS10に供給する。
【0024】
圧力調整弁(圧力弁)44が加圧タンク42をPTR12の回転弁22に結合する。圧力弁44は、電源装置の停止の際に加圧タンク42からPTR12へ流体を選択的に放出させる。好ましくは、圧力弁44は「圧力及び流れライン・タップ」である。当業者には理解さていれるように、圧力及び流れライン・タップは、該タップの両端間に所定の圧力差が生じたときに、該タップを通って流体を流れさせる。例えば、6.25気圧の圧力差で流通を可能にするタップは、該タップを通って流体が流れることができるようになるのに、該タップの両端間に少なくとも6.25気圧の圧力差を必要とする。これに関連して、1.75気圧の最低流体圧力を必要とし且つ8.0気圧の加圧タンク42を含んでいるPTR12は、典型的には、6.25気圧の圧力差で流通を可能にするタップを必要とする。その結果、追加の加圧流体がPTR12に注入されて、PTR12内の作業流体の量と共に、PTR12内の流体圧力を増大させる。
【0025】
空気モータ46が回転弁22に結合されていて、電源装置の停止・故障の際に回転弁22を駆動する。より詳しく述べると、空気モータ46を回転弁22の駆動軸(図示せず)に結合するのに典型的な付属装置を含んでいてよい。パワー調整弁(パワー弁)48が、電源装置の停止・故障の際に空気モータ46を駆動するために加圧タンク42から流体を選択的に放出させる。パワー弁48は、それに電気が供給されている間は閉止状態に留まるソレノイド弁であるのが好ましい。勿論のこと、パワー弁48は、電気の供給によって電磁的に閉止状態に留まる任意の他の弁であってよい。電源装置の停止・故障の際、パワー弁48が開いて、空気モータ46を駆動するために加圧タンク42から流体を放出させる。その後、その流体はモータ46から放出されて、高温熱交換器32の表面にわたって流れて該表面から熱を除去し且つ冷凍プロセスを向上させる。流体はまた、冷凍動作を改善するために本発明の他の素子を冷却するように使用してもよい。
【0026】
放出弁50は、好ましくは、PTR12内の流体圧力を下げるためにPTR12に結合される。より詳しく述べると、放出弁50は、好ましくは、流体圧力が所定の圧力範囲を越えて上昇したときPTR12から流体を選択的に放出するためにパルス管30,30’に結合される。圧力弁44と同様に、放出弁50は、好ましくは、所定の圧力差が存在するときに流体を流通させる圧力及び流れライン・タップである。放出弁50は、流体圧力が最高流体圧力よりも高く上昇したときのみPTR12から流体を放出させることができる。典型的な最高流体圧力は約2.0気圧である。勿論、当業者には理解されるように、様々な他の圧力閾値を用いてもよい。更に、放出弁50は、好ましくは、冷凍プロセスを最適化するために高温熱交換器32の表面に流体を放出させる。また、当業者には明らかなように、放出された流体は、冷凍プロセスを改善するためにPTR12の他の素子を冷却するようにしてもよい。
【0027】
次いで図2を参照すると、本発明の代替の実施形態によるPTRS10が示されている。この代替実施形態は、変更した圧力調整弁44’(圧力弁)、パワー調整弁48’(パワー弁)及び放出弁50’以外は上記の好ましい実施形態の全ての素子を含んでいる。代替実施形態は、これらの弁44’、48’及び50’が制御器56によって制御され且つ補助電源装置58から給電されることを必要とする。当業者に知られているように、制御器はまた、そのパワーを供給し且つその制御機能を習得するために流体論理素子も含んでいてよい。弁44’、48’及び50’並びに制御器56の作動により、加圧タンク42内の流体がライドスルー予備パワーを供給することが可能になる。弁44’、48’及び50’並びに制御器56の作動のために必要な電力は、典型的には電動コンプレッサを動作させるのに必要な電力よりも実質的に小さい。従って、補助電源装置は蓄電池アレイ、内燃機関発電機、又は任意の他の希望による電源であってよい。
【0028】
加えて、PTRS10は更に、PTR12内の流体圧力及び圧力振動を検出するためにPTR12に結合された少なくとも1つの圧力センサ52を含んでいる。より詳しく述べると、圧力センサ52は、好ましくは、PTR12内の流体圧力及び圧力振動を検出するために回転弁22に結合される。また更に、電動コンプレッサ16、圧力弁44及びパワー弁48に充分な電流が供給されているかどうか検出するために、少なくとも1つの電気センサ54がPTR12に結合されている。
【0029】
制御器56は圧力センサ52及び電気センサ54に電気的に結合されている。制御器56は、流体圧力が所定の圧力範囲内にあるかどうか判定すると共に、電流がPTRS10の電気構成部品を動作させるのに充分であるかどうか判定する。
【0030】
次いで図3を参照すると、そのフローチャートは、パルス管冷凍機(PTR)12のためのライドスルー予備パワーを供給する方法を例示する。動作について説明すると、本発明の方法は、工程60で開始し、その直ぐ後に工程62へ進む。工程62で、図1についての説明に従ってPTR12及び空気モータ46を用意する。次いで、本シーケンスは直ちに問合せ工程64へ進む。
【0031】
問合せ工程64で、通常、PTR12に充分な電力が供給されているかどうか判定する。問合せ工程64で肯定的な返答がなされた場合、何らライドスルー予備パワーは必要ではなく、その結果、本シーケンスは単に問合せ工程64を繰り返す。問合せ工程64で否定的な返答がなされた場合、本シーケンスは工程66へ進む。工程66で、通常、空気モータを作動して、回転弁22を駆動し、流体圧力を所定の圧力範囲内で振動させる。典型的な所定の圧力範囲は大体1.75気圧 〜6.0気圧の値を含む。
【0032】
より詳しく述べると、好ましい実施形態では、工程64及び66を実行するために、空気モータ46と加圧タンク42との間に動作上結合されたパワー調整弁48として単にソレノイド弁を用いる。ライドスルー予備パワーが必要でないときに流体圧力を振動させる電動コンプレッサ16へ供給される電流が該ソレノイド弁を通る。電動コンプレッサ16を動作させ且つソレノイド弁を電磁的に閉止状態に作動するように充分な電流が供給されているときは、該ソレノイド弁は閉止状態に留まる。停電が生じた場合は、該弁は自動的に開放して、それを通って加圧タンク42から駆動ガスが空気モータ46へ流れることができるようにする。典型的には、駆動ガスは空気モータ42を作動して、空気モータ42に結合された回転弁22の駆動軸を回転させる。そこで、回転弁22は流体圧力を所定の圧力範囲内で振動させ続ける。
【0033】
代替実施形態では、工程64及び66を実行するために、制御器56を使用して、PTR12に供給される電気量を検出する。具体的に述べると、制御器56は電気センサ54を使用して、PTR12に供給される電気量を検出する。例えば、電気センサ54は、電気モータ24に供給される電気量を検出するために電気モータ24に結合する。勿論、電気センサ54は、希望によりPTR12の他の適当な電子装置に結合してもよい。
【0034】
制御器56が不充分な電気供給量を検出した場合、制御器56はパワー調整弁48’を作動して、加圧タンク42から流体を放出させることができる。この放出された流体により空気モータ46を駆動して、PTR12を動作させるのに必要なパワーを供給することができる。次いで、本シーケンスは問合せ工程68へ進む。
【0035】
問合せ工程68で、通常、PTR12内の流体圧力が最低圧力閾値よりも低いかどうか判定する。最低圧力閾値についての典型的な値は約6.0気圧であってよい。しかしながら、最低圧力閾値は希望により変えてもよい。流体圧力が最低圧力閾値よりも高い場合、本シーケンスは工程64へ戻る。しかしながら、流体圧力が最低圧力閾値よりも低い場合、本シーケンスは工程70へ進み、該工程で流体圧力を増大させる。
【0036】
より詳しく説明すると、工程68及び70を実行するために、好ましくは、圧力及び流れライン・タップを圧力弁44と一体化する。圧力弁44は加圧タンク42と回転弁22との間に動作上結合される。当業者が理解しているように、弁と一体化した圧力及び流れライン・タップは、弁の両端間の間に所定の圧力差が存在するとき、自動的にそれを通って流体を通過させることができる。例えば、PTR12は約6.0気圧の最低圧力を必要としていると共に、135気圧以上の流体を収容する加圧タンク42を含むようにしてよい。この場合、タップは、2.0気圧の圧力差が弁に対して存在するとき、圧力調整された流体を自動的に流通させることができる。この結果、圧力弁44はPTR12内の流体圧力を所定の圧力範囲まで自動的に増大させる。次いで、本シーケンス工程64へ戻る。
【0037】
代替例として、工程68及び70を実行するために、制御器56を用いて、PTR12内の流体圧力を検出するようにしてもよい。具体的に述べると、制御器56は、回転弁22内の流体圧力を検出するために回転弁22に結合される圧力センサ40を用いてもよい。工程68で、流体圧力が所定の圧力範囲内にあることを制御器が検出した場合、本シーケンスは工程64へ戻る。しかしながら、流体圧力が最低圧力閾値よりも低いことを制御器が検出した場合、本シーケンスは工程70へ進む。工程70で、制御器56は圧力弁44’を開くように作動して、加圧タンク42から流体をPTR12内へ放出させる。その結果、放出された流体は、圧力センサ40により流体圧力が所定の圧力範囲内になったことを検出するまで、PTR12内の流体圧力を増大させる。次いで、本シーケンスは工程72へ進む。
【0038】
工程72で、制御器は熱交換器32内の流体圧力が最高圧力閾値よりも高いかどうか判定する。好ましい最高圧力閾値は約3気圧であるが、この最高圧力閾値は希望により変えてもよい。流体圧力が最高圧力閾値よりも低いか又は等しい場合、本シーケンスは直ちに工程64へ戻る。しかしながら、流体圧力が最高圧力閾値よりも高い場合、本シーケンスは、流体圧力を減少させる工程74へ進む。
【0039】
工程74で、制御器56は放出弁50’を作動して開放させることにより、PTR12から流体を放出させ、且つ高温熱交換器32を介して流体を排出させる。流体がPTR12から放出弁50’を介して放出されるとき、加圧タンク42が圧力弁44’を介してPTR12へ補充流体を供給し得る。これに関連して、流体は、適正な動作のために必要とされるときPTR12の第1段38及び第2段40内で振動させるようにしてもよい。完全な1サイクルの動作が完了したとき、本方法は工程64へ戻る。
【0040】
本発明の特定の実施形態を図示し説明したが、当業者には多数の変形又は代替実施形態を行えよう。従って、本発明は特許請求の範囲によって限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好ましい実施形態によるライドスルーを備えたパルス管冷凍システム(PTRS)を示す概略構成図である。
【図2】本発明の別の実施形態によるライドスルーを備えたパルス管冷凍システム(PTRS)を示す概略構成図である。
【図3】パルス管冷凍機(PTR)のためのライドスルー予備力を供給する方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
10 パルス管冷凍システム(PTRS)
12 パルス管冷凍機(PTR)
38 第1段
40 第2段
Claims (11)
- 緊急保全機能を備えたパルス管冷凍システムであって、負荷(14)を冷却するための流体を収容している加圧タンク(42)と、前記加圧タンク(42)をパルス管冷凍機(12)の回転弁(22)に結合する圧力調整弁(44)であって、電源装置の停止の際に前記加圧タンク(42)から前記流体を放出させて、パルス管冷凍機(12)内の流体圧力を所定の圧力範囲まで増大させる圧力調整弁(44)と、前記回転弁(22)に動作上結合された空気モータ(46)であって、前記電源装置の停止の際に前記回転弁(22)を駆動する空気モータ(46)と、前記加圧タンク(42)を前記空気モータ(46)に結合するパワー調整弁(48)であって、前記電源装置の停止の際に前記空気モータ(46)を駆動するための駆動ガスを供給するパワー調整弁(48)と、前記電源装置の停止の際に前記流体圧力を前記所定の圧力範囲まで減少させるためにパルス管冷凍機(12)に結合されている放出弁(50)と、を有している当該システム。
- 前記負荷(14)は超伝導磁石である、請求項1記載のシステム(10)。
- 前記パワー調整弁(48)はソレノイド弁である、請求項1記載のシステム(10)。
- 前記圧力調整弁(44)及び前記放出弁(50)の少なくとも一方がそれに結合された圧力流れライン・タップを備えている、請求項1記載のシステム(10)。
- 前記放出弁(50)はパルス管(30)に結合されており、該パルス管(30)はパルス管冷凍機(12)内に一体に形成されており、また前記放出弁(50)は、パルス管冷凍機(12)内に一体に形成されている高温熱交換器(32)を冷却するために前記パルス管(30)から流体を放出させる、請求項1記載のシステム(10)。
- 前記駆動ガスは、前記空気モータ(46)を駆動した後に、パルス管冷凍機(12)の高温熱交換器(32)を冷却する、請求項1記載のシステム(10)。
- 前記流体はヘリウムである、請求項1記載のシステム(10)。
- 前記パルス管冷凍機(12)は二段パルス管冷凍機(12)である、請求項1記載のシステム(10)。
- 前記パルス管冷凍機(12)は、前記流体の前記流体圧力を前記所定の圧力範囲まで増大させる電動コンプレッサ(16)と、前記電動コンプレッサ(16)に結合されているアフタークーラー(20)であって、前記電動コンプレッサ(16)から前記流体を受け取って、前記流体を冷却するアフタークーラー(20)と、前記アフタークーラー(20)に結合されている前記回転弁(22)であって、前記アフタークーラー(20)から前記流体を受け取って、前記流体を所定の圧力振動まで振動させる前記回転弁(22)と、前記回転弁(22)に結合されている蓄冷器(26)であって、前記回転弁(22)から前記流体を受け取って、前記流体を冷却する蓄冷器(26)と、前記蓄冷器(26)に結合されている低温熱交換器(28)であって、前記低温熱交換器(28)は前記蓄冷器(26)から前記流体を受け取り、前記流体には前記負荷(14)から熱が伝達される、低温熱交換器(28)と、前記低温熱交換器(28)に結合されているパルス管(30)であって、前記低温熱交換器(28)から前記流体を受け取り、前記流体を前記低温熱交換器(28)から離れるように輸送するパルス管(30)と、前記パルス管(30)に結合されている高温熱交換器(32)であって、前記パルス管(30)から前記流体を受け取って、前記流体を冷却する高温熱交換器(32)と、前記高温熱交換器(32)に結合されているオリフィス(36)であって、ガス流と前記所定の圧力範囲との間に所望の位相シフトを与えるオリフィス(36)と、前記オリフィス(36)に結合されている溜め(34)であって、前記流体を受け取って、ガス流と前記所定の圧力範囲との間に所望の位相シフトを与える溜め(34)と、で構成されている、請求項1記載のシステム(10)。
- 更に、パルス管冷凍機(12)に供給される電流を検出するためにパルス管冷凍機(12)に結合されている電気センサ(54)と、前記電気センサ(54)に結合されている制御器(56)であって、前記電流を検出し、前記電流が所定の電源装置範囲内にあるかどうか判定し、前記流体圧力を前記所定の圧力範囲内に調整するために前記パワー調整弁(48)を作動する制御器(56)と、を含んでいる請求項1記載のシステム(10)。
- 更に、パルス管冷凍機(12)内の前記流体圧力を検出するためにパルス管冷凍機(12)に結合されている圧力センサ(52)と、前記圧力センサ(52)に結合されている制御器(56)であって、前記流体圧力を検出し、前記流体圧力が前記所定の圧力範囲内にあるかどうか判定し、前記流体圧力を前記所定の圧力範囲内に調整するために前記圧力調整弁(44)及び前記放出弁(50)を作動する制御器(56)と、を含んでいる請求項1記載のシステム(10)。
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