JP5711498B2 - 超伝導マグネット向けの冷却システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超伝導マグネット向けの冷却システム及び方法に関し、またさらに詳細には、超伝導マグネットを高い温度から超伝導温度まで冷却するための冷却システム及び方法に関する。

超伝導マグネットは、明細書の以下において「超伝導温度」と呼ぶ適当な低い温度にマグネットが維持される限りにおいて、抵抗無しに電気を伝導させる。したがって、磁気コイルを通る電流の流れを導入するように超伝導マグネットコイルに対してある期間にわたって電源を最初に接続すると、コイルに電気抵抗が無いため電源を外した後も電流がコイルを通って流れ続け、これにより例えば磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム内に強い磁界が維持される。

超伝導マグネットを超伝導温度未満に維持するために冷却システムが使用される。超伝導マグネット向けの従来の冷却システムの１つは、超伝導マグネットを浸漬する液体ヘリウムなどの液体冷媒を蓄積する液体冷媒容器を備える。こうした従来の冷却システムを用いた冷却動作の開始時点において、液体冷媒容器内に液体ヘリウムが連続して満たされる。超伝導マグネットは、液体ヘリウムを蒸気すなわち気体ヘリウムにするように連続的にボイルオフさせる潜熱及び顕熱エネルギーによって室温などの高い温度から超伝導温度まで冷却されると共に、こうした過程の間にこのヘリウムガスは典型的には大気中に排出されてリサイクルや再使用することは困難である。さらに、液体冷媒容器内への液体ヘリウムの転送では、嵩が大きい充填用付属具や特別な冷媒サービス要員が必要である。

現在利用可能な冷却システムと異なりより単純な冷媒送達システムを有する冷却システムがあることが望ましい。

一実施形態では、磁気共鳴撮像システムのクライオスタット内に囲繞された超伝導マグネットを冷却するための方法を提供する。本方法は、クライオスタットの冷却経路内にクライオスタット外部にある入力部分から気体を導入する工程を含む。冷却経路内の熱交換器は、クライオスタット外部にある冷凍機によって冷却される。熱交換器の位置にある気体は、低温気体として冷却されるか、あるいは熱交換器において液体冷媒になるように凝縮される。熱交換器からのこの低温気体または液体冷媒は、少なくとも１つの接続チューブを通って超伝導マグネットと熱的に接触させたマグネット冷却チューブまで流れる。超伝導マグネットからの熱は、低温気体を高温気体になるように暖めることまたは液体冷媒をボイルオフ気体になるように気化させることによって除去される。この高温気体またはボイルオフ気体は熱交換器に戻るように送達され、超伝導マグネットを超伝導温度にするようにさらに冷却するために高温気体の再冷却またはボイルオフ気体の再凝縮が行われる。超伝導マグネットを超伝導温度未満に維持するために、入力部分は閉ループとなった冷却経路を形成するように閉じられる。

別の実施形態では、超伝導マグネット向けの冷却システムを提供する。本システムは、第１のサブアセンブリ及び第２のサブアセンブリを備える。第１のサブアセンブリは、接続チューブを通じて第１のインレット部分と連絡している第１段熱交換器と、接続チューブを通じて第１段熱交換器と連絡している液体コンテナと、第１のサブアセンブリ内の第１タイプの冷媒と、一方の端部が第１の液体コンテナと熱的に接触しておりかつ別の端部が超伝導マグネットと熱的に接触している熱リンクと、を備える。第２のサブアセンブリは、接続チューブを通じて第２のインレット部分と連絡している第２段熱交換器と、冷媒通路を有しかつ超伝導マグネットと熱的に接触するマグネット冷却チューブと、を備える。このマグネット冷却チューブは、接続チューブを通じて第２段熱交換器と流体結合させた少なくとも１つの開口部を有する。第２のサブアセンブリはさらに、マグネット冷却チューブを通って流れる第２タイプの冷媒を備える。これら第１と第２の冷媒は異なっている。

本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。

本発明のある種の実施形態による超伝導マグネット及び超伝導マグネット向け冷却システムを備えた磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムのブロック概要図である。 本発明の一実施形態による図１の冷却システムの断面図である。 本発明の一実施形態に従って超伝導マグネットと熱的に接触させている図２の冷却システムのマグネット冷却チューブの断面図である。 本発明の別の実施形態に従って超伝導マグネットと熱的に接触させている図２の冷却システムのマグネット冷却チューブの断面図である。 本発明の別の実施形態による図１の冷却システムの断面図である。 本発明のさらに別の実施形態による図１の冷却システムの断面図である。 本発明のまた別の実施形態による図１の冷却システムの断面図である。 本発明のまた別の実施形態による図１の冷却システムの断面図である。

本発明の実施形態は、例えば磁気共鳴撮像や磁気共鳴スペクトロスコピーを含む磁気共鳴用途などで使用される超伝導マグネット向けの冷却システムに関する。本発明の実施形態は、超伝導マグネットをその超伝導温度まで冷却するための冷却方法に関する。

図１を参照すると、一実施形態による例示的な磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム１０は、オペレータがシステム１０の動作を制御するためのオペレータコンソール１２を備える。この例示的なオペレータコンソール１２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。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。

図示した実施形態では、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。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は患者を所望のスキャン位置に移動させるコマンドを受け取っている。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。

マグネットアセンブリ５０は、傾斜コイルアセンブリ５２、偏向マグネット５４及び全身用ＲＦコイル５６を含む。傾斜コイルアセンブリ５２の物理的に対応する傾斜コイルを各傾斜増幅器によって励起させ、収集した信号の空間エンコードに使用される磁場傾斜を発生させている。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ＲＦ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。

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上などの長期記憶装置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。

図示した実施形態ではマグネットアセンブリ５０はさらに、ボア７４を画定する真空容器７２を含む。撮像用途では、対象が撮像のためにボア７４内に配置されることは当業者であれば理解されよう。したがってボア７４は、対象に関する撮像ボリュームへのアクセスを提供する。

ＭＲＩシステム１０は真空容器７２内部に配置させた熱シールド７６を備えており、また超伝導マグネット７８はこの熱シールド７６内部に機械支持構造（図示せず）によって配置されている。熱シールド７６は超伝導マグネット７８を周囲温度から熱的に分離させる。超伝導マグネット７８の一実施形態は、円筒状のボビン８０と、この円筒状ボビン８０の外側表面上に巻き付けられた複数の超伝導マグネットコイル８２と、を含む。ある種の実施形態ではそのボビン８０は、プラスチックその他など非電気伝導性の材料から製作されることがある。超伝導コイル８２は、ＮｂＴｉ、Ｎｂ_３ＳｎやＭｇＢ_２ワイヤ、あるいはＢＳＣＣＯやＹＢＣＯタイプなどの超伝導ワイヤからなるコイルから製作されることがある。

当技術分野で周知のように、超伝導マグネットが本明細書の以下において「超伝導温度」と呼ぶ適当な低い温度未満に維持される限りにおいて超伝導マグネットは無抵抗で電気を伝導させる。ＭＲＩシステム１０はさらに、超伝導マグネット７８を室温などの高い温度から、マグネット７８の超伝導温度またはこれ未満まで冷却するための冷却システム８４を備える。真空容器７２と熱シールド７６は協働して、超伝導マグネット７８向けの低温度環境の維持に寄与しており、これら全体を本明細書の以下において「クライオスタット７５」と呼ぶ。別の実施形態では、超伝導マグネット７８向けのクライオスタット７５は様々な構成を有することができ、図示した実施形態に限定されるものではない。

図１の実施形態に示したように、冷却システム８４は冷却システム８４に対して冷却源を提供するように動作する熱シールド７６外部にある冷凍機８６を備える。冷媒の送達のために熱シールド７６内部に、冷凍機８６と熱的に結合させた冷却経路８８を配列させている。冷却システム８４はさらに、超伝導マグネット７８を高い温度から超伝導温度まで冷却するために冷却経路８８内に気体を導入するようにクライオスタット７５を通って延びる入力部分９０を備える。図示した実施形態では冷凍機８６は、クライオスタット７５の外側表面の上側部分上に装着されている。図示した実施形態では入力部分９０はさらに、クライオスタット７５の外側表面の上側部分内に画定されると共に、バルブ９２によって開放状態において冷却経路８８内に気体を導入するように動作させるか、あるいは閉鎖状態において冷却経路８８内への気体の導入を停止するように動作させている。一実施形態では入力部分はさらに、冷却経路８８の気体圧力が高くなり過ぎたときに気体を放出するようにバルブにより動作を受ける冷却経路８８の出力部分となる。様々な実施形態に従った冷却経路８８の詳細配置を図２及び図５〜８に示した。

図２は、一実施形態による冷却経路８８の断面図を表している。示した図は例証を目的として非常に誇張されており縮尺どおりでないことを理解されたい。図示した実施形態では、冷却経路８８は超伝導マグネット７８と熱的に結合させたマグネット冷却チューブ９６を備える。マグネット冷却チューブ９６は、例えばステンレス鋼、アルミニウム、銅または真鍮を含むと共に、冷媒を流すための冷媒通路９８と、冷媒通路９８に対する冷媒の導入及び／または排出のための第１の開口部１００及び第２の開口部１０２と、を備える。図示した実施形態では冷却経路８８は、接続チューブ１０６を通じてマグネット冷却チューブ９６の第１の開口部１００と流体接続した熱交換器１０４を備えると共に、冷凍機８６に関連付けされている。図示した実施形態では、熱交換器１０４はマグネット冷却チューブ９６の上方に配置されており、また接続チューブ１０６は実質的に垂直方向に向けている。図示した実施形態では冷凍機８６は、クライオスタット７５を通って下方向に延びている。

図示した実施形態では熱交換器１０４は、冷却システム８４のスタートアップ動作時に超伝導マグネット７６を高い温度から超伝導温度まで下げるように冷却させるための気体を入力部分９０から受け取るために接続チューブ１０８を通じて入力部分９０と連絡している。図示した実施形態では、熱交換器１０４は入力部分９０の下方に配置されており、また接続チューブ１０８は実質的に垂直方向を向いている。図示した実施形態では、接続チューブ１０８はＬ字形で構成されている。別の実施形態では、接続チューブ１０８は上側の入力部分９０から下側の熱交換器１０４に導かれるような湾曲構成や斜方向構成を有することがある。

ある種の実施形態では、マグネット冷却チューブ９６の第２の開口部１０２はさらに熱交換器１０４と流体連通する。図示した実施形態では冷却経路８８は、第２の開口部１０２を入力部分９０と熱交換器１０４を相互接続させる接続チューブ１０８と相互接続させている接続チューブ１１０を備える。したがってマグネット冷却チューブ９６は第２の開口部１０２及び接続チューブ１０８、１１０を通じて入力部分９０と熱交換器１０４の両者と連絡している。ある種の実施形態ではその接続チューブ１０６、１０８、１１０は、例えばステンレス鋼、アルミニウム、銅または真鍮を含む。

冷却システム８４のスタートアップ動作中に、接続チューブ１０８を通じて最初に冷却経路８８内に気体が導入される。ある種の実施形態ではその気体は、窒素、ネオン、水素、ヘリウム、またはこうした気体を組み合わせたもの、あるいは超伝導マグネットから十分な熱を引き出すことが可能な別の適当な任意の気体とすることができる。一実施形態ではその気体は１００ｐｓｉから４５０ｐｓｉまでの範囲の高い圧力にある。一実施形態ではその気体は圧力が約２５０ｐｓｉの高圧ヘリウムである。一実施形態では、気体がポンプによって冷却経路８８に追加される。

ある種の実施形態では、冷却システム８４のスタートアップ動作の間に冷凍機８６がパワーオンされると共に、冷凍機８６によって熱交換器１０４がさらにより低い温度まで冷却される。ある種の実施形態では、初めに充填されていた気体の少なくとも一部が接続チューブ１０８を通って熱交換器１０４まで流れて、熱交換器１０４によって低温気体まで冷却される。低温気体は重力に押されて、接続チューブ１０６及び第１の開口部１００を通ってマグネット冷却チューブ９６の冷媒通路９８に流れ込む。一実施形態では、低温気体がマグネット冷却チューブ９６を介して高温のマグネット７８と熱的接触の状態にあるとき、この気体はマグネットからの熱を吸収し温度上昇し高温の気体となる。高温となった気体は浮力に押されて第２の開口部１０２並びに接続チューブ１１０及び１０８を通って上に流れて熱交換器１０４に戻る。熱交換器１０４において高温気体は低温気体に戻るように冷却され、この低温気体は再び接続チューブ１０６を通ってマグネット冷却チューブ９６まで降りるように流れる。この過程は、接続チューブ１０６、１１０、マグネット冷却チューブ９６及び超伝導マグネット７８を徐々に冷却するように継続し、その気体の液化温度に近い非常に低い温度に至らせる。

ある種の実施形態では、冷却システム８４のスタートアップ動作の継続中に、気体は熱交換器１０４によって液体になるまで凝縮される。この液体冷媒は重力に押されて、接続チューブ１０６及び第１の開口部１００を通ってマグネット冷却チューブ９６に流れ込む。次いで、液体冷媒が気体状の冷媒になるボイルオフからの気化潜熱によって超伝導マグネット７８は冷却を受ける。ボイルオフ気体は、マグネット冷却チューブ９６及び接続チューブ１１０を通って熱交換器１０４に戻るように送達され、さらなる熱除去のために液体冷媒になるように再凝縮を受ける。このボイルオフ及び再凝縮の過程は、超伝導マグネット７８がその超伝導温度または超伝導温度未満まで冷却されるまで継続し、次いで冷却システム８４のスタートアップ動作が終了となる。一実施形態では、スタートアップ動作が停止しても、通常冷却動作中にすでに冷却経路８８内に充填された冷媒の再凝縮及びボイルオフ過程によって超伝導マグネット７８は冷却状態に維持される。一実施形態では、マグネット冷却チューブ９６が液体冷媒で一杯になるまで入力部分９０を通って気体が冷却経路８８に追加される。したがって超伝導マグネット７８は、冷凍源８６が例えばメンテナンス中で利用できないときであっても長い期間にわたってその動作温度を保つことが可能である（このことを、明細書の以下において「ライドスルー容量」と呼ぶ）。

一実施形態では、入力部分９０が閉じられた後、冷却経路８８は１つの閉ループ経路となる。この経路内の冷媒の再凝縮及びボイルオフ過程によって超伝導マグネットが低温度に維持される。

マグネット冷却チューブ９６と超伝導マグネット７８の熱接続に関する例示的な実施形態を図３及び４に示した。図３の実施形態では熱交換プレート１１２は、例えばエポキシによって超伝導マグネットの外側表面上に結合させている。ある種の実施形態ではその熱交換プレート１１２は、銅やアルミニウムなどの熱伝導性が高い材料を含む。ある種の実施形態ではそのエポキシは、例えばＡｌ_２Ｏ_３やＡｌＮなどの熱伝導率が高い充填材料を含む。図示した実施形態では、マグネット冷却チューブ９６はエポキシによって熱交換プレート１１２に結合されると共に、超伝導マグネット７８の円周方向に沿っている。図示したマグネット冷却チューブ９６は円形の断面を成している。別の実施形態ではそのチューブ９６は、熱交換プレート１１２との接触面積を増大させるためにその１つの面が熱交換プレート１１２に取り付けらるようにした正方形または三角形の断面を有することがある。

図４の実施形態では、冷却システム８４はさらに、熱交換プレート１１２と結合させた熱伝導部材１１４を備えると共に、マグネット冷却チューブ９６の外側表面の少なくとも一部分とマッチングしかつ接触させた内側表面を有する。一実施形態ではその熱交換プレート１１２及び熱伝導部材１１４はその一部が、マグネット冷却チューブ９６の外側表面の周りに曲げて巻き付けられるように柔軟性に優れた平坦なｌｉｔｚワイヤで製作されている。ｌｉｔｚワイヤは、線条のサイズが非常に細いためａｃ磁場に曝されたときのうず電流損が少ないので有利である。

図５を参照すると、本発明の別の実施形態による冷却経路１１６を表している。図５において冷却経路１１６は、熱交換器１０４とマグネット冷却チューブ９６の第１及び第２の開口部１００、１０２のうちの一方との間に配置させた冷媒リザーバ１１８を備える。図示した実施形態では冷媒リザーバ１１８は接続チューブ１２０によって第２の開口部１０２と連絡し、かつ熱交換器１０４と連絡させた接続チューブ１２２を通じて接続チューブ１０８と連絡している。したがって冷却システムのスタートアップ動作中に、超伝導マグネット７８からの熱を吸収した後の高圧力の高温気体は、第２の開口部を通って接続チューブ１２０、冷媒リザーバ１１８、接続チューブ１２２及び接続チューブ１０８を経由して熱交換器１０４に至り、低温気体になるように再冷却を受ける。この低温気体は、超伝導マグネット７８をさらに冷却させるために接続チューブ１０６を通ってマグネット冷却チューブ９６に流れ込む。超伝導マグネット７８がその気体の液化温度近くまで冷却された後、熱交換器１０４において気体は液体冷媒になるように凝縮される。液体冷媒は先ずマグネット冷却チューブ９６を満たし、また引き続いてスタートアップ動作の終了時点において冷媒リザーバ１１８を満たす。冷媒リザーバ１１８によって冷却システムはより多くの液体冷媒を包含することが可能となり、したがって冷却経路１１６のライドスルー容量が増大する。一実施形態では冷却経路が複数の冷媒リザーバ１１８を備えることがある。

図６は、本発明のさらに別の実施形態に従った冷却経路１２３を備える図１の冷却システム８４の断面図を表している。図６の実施形態では、冷却経路１２３の冷媒リザーバ１１８はマグネット冷却チューブ９６と熱交換器１０４の間に配置されると共に、接続チューブを通じてマグネット冷却チューブ９６の第１と第２の両方の開口部１００、１０２と相互接続している。熱交換器１０４からの低温気体は冷媒リザーバ１１８を通ってマグネット冷却チューブ９６に流れ込む一方、超伝導マグネット７８により暖められた気体は冷媒リザーバ１１８を通じて熱交換器１０４に戻るように流れる。

図７を参照すると、本発明のまた別の実施形態による冷却システム８４は、そのいずれもが超伝導マグネット７６と熱的に接触する第１のサブアセンブリ１２６及び第２のサブアセンブリ１２８を備えた２段式冷却システムを備える。図示した実施形態では、第１及び第２のサブアセンブリ１２６、１２８のそれぞれは異なる温度で動作する第１段熱交換器１３０と第２段熱交換器１３２を備える。一実施形態では、第１段熱交換器１３０は通常、例えば５０ケルビン（Ｋ）など比較的高い温度に維持されており、また第２段熱交換器１３２は通常、例えば４．２Ｋなどの比較的低い温度に維持されている。したがって、冷却システムのスタートアップ動作中に、超伝導マグネットは先ず第１のサブアセンブリ１２６によって第１段熱交換器１３０の温度近くまで冷却され、次いでさらに第２のサブアセンブリ１２８によって第２段熱交換器１３２のより低い温度まで冷却される。図示した実施形態では、第２のサブアセンブリ１２８は、図６の冷却経路と同様な構成をもつと共に超伝導マグネット７８と熱的に結合されたマグネット冷却チューブ９６を備えた冷却経路と、暖められた気体またはボイルオフ気体の冷却または凝縮のためにマグネット冷却チューブ９６と流体結合させた第２段熱交換器１３２と、接続チューブを通じてマグネット冷却チューブ９６及び熱交換器１０４と流体結合させた冷媒リザーバ１１８と、を備える。別の実施形態では、第２のサブアセンブリ１２８の冷却経路は、図２及び５を参照しながら説明したような冷却経路８８または１１６と同様の構成を有することがある。

図７に示した実施形態では、第１のサブアセンブリ１２６は、第１のサブアセンブリ１２６内に気体を導入するためにクライオスタット７５外部にあると共にバルブ１３６により動作させる第１の入力部分１３４を備える。第１段熱交換器１３０は接続チューブ１３８を通じて気体を受け取りこの気体を冷却するかあるいは気体を液体に変換する。液体冷媒コンテナ１４２は、より高密度の低温気体の受け取りあるいは熱交換器からの液体冷媒の蓄積のために、接続チューブ１４０を介して熱交換器１３０に流体結合させている。第１のサブアセンブリ１２６はさらに、一方の端部が液体冷媒コンテナ１４２と熱的に接触しておりかつ別の端部が超伝導マグネット７８と熱的に接触している熱リンク１４６を備える。一実施形態ではその熱リンク１４６は、超伝導マグネット７６の外側表面上に巻き付けられた熱伝導性プレートを備える。別法としてその熱リンクは、超伝導マグネット７６の内部に組み入れられた熱伝導性プレートを備えることがある。

一実施形態では、入力部分９０及び１３４のそれぞれから第１及び第２のサブアセンブリ１２６及び１２８内に導入される気体は、異なる液化温度及び異なる凝固温度を有する異なるタイプの気体である。ある種の実施形態では、第１のサブアセンブリ１２６内に導入される気体は、第２のサブアセンブリ１２８内に導入される気体と比べてより高い液化温度及びより高い凝固温度を有する。

ある種の実施形態では冷却システム１２４のスタートアップ動作中に、窒素ガスなどのあるタイプの気体が、入力部分１３４から第１のサブアセンブリ１２６内に導入されると共に熱交換器１３０によって液体窒素になるように凝縮され、これが接続チューブ１４０を介してコンテナ１４２内を満たす。コンテナ１４２及び接続チューブ１４０は、液体窒素の約７７Ｋという低い温度まで冷却される。したがって超伝導マグネット７６は、超伝導マグネット７６とコンテナ１４２を熱的に接続している熱リンク１４６を介して７７Ｋ近くまで冷却される。

一実施形態では、ネオンガスなどの別のタイプの気体が、入力部分９０を通じて第２のサブアセンブリ１２８内に導入され、これが第２段熱交換器１３２によって液体ヘリウムになるように凝縮される。この液体ヘリウムは接続チューブ及びマグネット冷却チューブ９６を通って流れ、超伝導マグネットからの熱を吸収し、かつ蒸発して気体になり、この気体はさらに熱交換器１３２に戻された際に液体になるよう再凝縮されて冷却経路内を循環させる。したがって超伝導マグネット７８はさらに液体ネオンの凝固温度である約２５Ｋ近くまで冷却される。

別の実施形態では、超伝導マグネットをより低い温度（約４．２Ｋ）までさらに冷却するために、第２のサブアセンブリ１２８内にヘリウムガスなどの別のタイプの気体が導入される。ネオンガスやヘリウムガスは、超伝導マグネット７８を先ず第１のサブアセンブリ１２６によって第１段温度（約７７Ｋ）の近くまで冷却させる前に第２のサブアセンブリ１２８内に導入されることも、この冷却後に第２のサブアセンブリ１２８内に導入されることがある。入力部分１３４は、第１のサブアセンブリ１２６内にさらに窒素ガスを導入することなく閉じられる。ある種の実施形態では、超伝導マグネット７８を液体窒素の約６３Ｋの凝固温度まで冷却する際に、コンテナ１４２とその中の液体窒素は熱リンク１４６を介して冷却される。したがって、コンテナ１４２内の液体窒素は凝固すると共に、接続チューブ１４０は第１段熱交換器１３０と超伝導マグネット７８の間の熱交換がほとんど無い真空チューブとなる。第２のサブアセンブリ１２８によって超伝導マグネット７６をさらに液体ネオン温度または液体ヘリウム温度まで冷却させると、冷却システムのスタートアップ動作は終了する。超伝導マグネットは、通常の冷却動作の間は第２のサブアセンブリ１２８の閉ループ冷却経路内に残っているネオンまたはヘリウムの連続したボイルオフ及び再凝縮過程によってその超伝導温度未満に維持される。

図８の実施形態では冷却システム８４はさらに、第３タイプの気体を入力部分１５０からその内部に導入させる第３のサブアセンブリ１４８を備える。第３の熱交換器１５２は、気体の冷却または液体冷媒になるような凝縮のために第２段熱交換器１３２と熱的に接続されると共に、接続チューブ（参照番号なし）を通じて入力部分１５０と流体結合させている。液体冷媒コンテナ１５４は低温気体または液体冷媒を受け取るために第３の熱交換器１５２と流体結合させている。第３のサブアセンブリはさらに、一方の端部が液体冷媒コンテナ１５４と熱的に接触しかつ別の端部が超伝導マグネット７６と熱的に接触する熱リンク１５６を備える。一実施形態では、入力部分１５０を通って導入される気体は例えば、ネオンまたは水素である。したがって、超伝導マグネットは先ず、第１のサブアセンブリ１２６内の窒素循環によって７７Ｋ近くまで冷却され、ついでさらに、第３のサブアセンブリ１４８内のネオン循環によって約２８Ｋまでまたは水素循環によって１４Ｋまで冷却され、また最後に第２のサブアセンブリ１２８内のヘリウム循環によって約４．２Ｋまで冷却される。多段式冷却システムによれば、複数の熱交換器の提供する冷却容量をフルに利用することによって超伝導マグネット７６のより高速なスタートアップ冷却動作が可能となる。

本明細書に記載した実施形態は、本発明の特許請求の範囲に記載した要素に対応する要素を有する組成、構造、システム及び方法に関する例である。ここに記載した説明によって当業者は本発明の特許請求の範囲に記載した要素に同様に対応する別の要素を有する実施形態の製作及び利用が可能となろう。したがって本発明の範囲は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない組成、構造、システム及び方法を含み、かつさらに本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない別の構造、システム及び方法を含む。本明細書ではある種の特徴及び実施形態についてのみ図示し記載しているが、当業者によれば多くの修正形態や変形形態がなされよう。添付の特許請求の範囲は、こうした修正形態や変形形態をすべて包含するものである。

１０ ＭＲＩシステム
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 偏向マグネット
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
７２ 真空容器
７４ ボア
７６ 熱シールド
７８ 超伝導マグネット
８０ 円筒状ボビン
８２ 超伝導マグネットコイル
８４ 冷却システム
８６ 冷凍機
８８ 閉ループ冷却経路
９０ 入力部分
９２ バルブ
９６ マグネット冷却チューブ
９８ 冷媒通路
１００ マグネット冷却チューブの第１の開口部
１０２ マグネット冷却チューブの第２の開口部
１０４ 熱交換器
１０６ 接続チューブ
１０８ 接続チューブ
１１０ 接続チューブ
１１２ 熱交換プレート
１１４ 熱伝導部材
１１６ 冷却経路
１１８ 冷媒リザーバ
１２０ 接続チューブ
１２２ 接続チューブ
１２３ 冷却経路
１２４ 冷却経路
１２６ 第１の冷却サブアセンブリ
１２８ 第２の冷却サブアセンブリ
１３０ クライオクーラの第１の熱交換器
１３２ クライオクーラの第２の熱交換器
１３４ 入力部分
１３６ バルブ
１３８ 接続チューブ
１４０ 接続チューブ
１４２ 液体冷媒コンテナ
１４６ 熱リンク
１４８ 第３のサブアセンブリ
１５０ 入力部分（第３タイプの冷媒用）
１５２ 熱交換器
１５４ 液体冷媒コンテナ
１５６ 熱リンク

Claims (10)

1. 磁気共鳴撮像システム（１０）のクライオスタット（７５）内に囲繞された超伝導マグネット（７８）を冷却するための方法であって、
   クライオスタットの冷却経路（８８、１１６、１２３、１２４）内にクライオスタット外部にある入力部分（１３４）から気体を導入する工程と、
   クライオスタット内部で、冷却経路（８８、１１６、１２３、１２４）のマグネット冷却チューブ（９６）の上方に配置された熱交換器（１０４、１３０、１３２、１５２）であって、冷却経路内の熱交換器（１０４、１３０、１３２、１５２）をクライオスタット外部にある冷凍機（８６）によって冷却する工程と、
   熱交換器にある気体を低温気体として冷却するあるいは熱交換器にある気体を液体冷媒になるように凝縮させる工程と、
   熱交換器からの低温気体または液体冷媒を重力により少なくとも１つの接続チューブ（１０６、１０８、１１０、１２０、１２２）を通って超伝導マグネットと熱的に接触させたマグネット冷却チューブまで流す工程と、
   低温気体を高温気体になるように暖めることまたは液体冷媒をボイルオフ気体になるように気化させることによって超伝導マグネットからの熱を除去する工程と、
   高温気体の再冷却またはボイルオフ気体の再凝縮を行い超伝導マグネットを超伝導温度までさらに冷却するために、高温気体またはボイルオフ気体を熱交換器に戻すように送達させる工程と、
   超伝導マグネットを超伝導温度未満に維持するために閉ループとなった冷却経路を形成するように入力部分を閉じる工程と、
   クライオスタット外部にある冷凍機によって、クライオスタット内部で、冷媒コンテナ（１４２）の上方に配置された第２段熱交換器を冷却する工程と、
   クライオスタット外部にある第２のインレットを通して前記気体と比べてより高い液化温度を有する第２タイプの気体を導入する工程と、
   第２段熱交換器において第２タイプの気体を第２タイプの低温気体または液体冷媒になるように冷却または凝縮させるために第２タイプの気体を冷却する工程と、
   第２段熱交換器と液体冷媒コンテナの間の接続チューブを通じて第２タイプの低温気体または液体冷媒を重力により液体冷媒コンテナまで流す工程と、
   一方の端部が第２の液体冷媒コンテナと熱的に接触しかつ別の端部が超伝導マグネットと熱的に接触する熱リンクを介して超伝導マグネットの熱を除去する工程と、
   を含む方法。
2. 冷却経路内に導入される前記気体は、窒素、ネオン、水素、ヘリウムまたはこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１に記載の方法。
3. 熱交換器からの低温気体または液体冷媒をマグネット冷却チューブの少なくとも１つの部分を通って流す前記工程は低温気体または液体冷媒を第１の接続チューブを通してマグネット冷却チューブの第１の開口部に流し込む工程を含み、かつ高温気体またはボイルオフ気体を熱交換器に戻すように送達させる前記工程は高温気体またはボイルオフ気体をマグネット冷却チューブの第２の開口部から熱交換器まで第２の接続チューブを通して送達させる工程を含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第２の接続チューブを通して高温気体またはボイルオフ気体をマグネット冷却チューブの第２の開口部から熱交換器まで送達させる前記工程は、第２の開口部からの高温気体またはボイルオフ気体冷媒を第２の接続チューブ及び冷媒リザーバを通して送達させる工程を含む、請求項３に記載の方法。
5. 熱交換器からマグネット冷却チューブまで流れる前記低温気体または液体冷媒とマグネット冷却チューブから熱交換器まで流れる前記高温気体またはボイルオフ気体との両方は冷媒リザーバを通って流れる、請求項３に記載の方法。
6. 前記熱リンクは熱伝導性プレートを含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 前記気体がヘリウムであると共に、前記第２タイプの気体は窒素、ネオン、水素またはこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 第１のサブアセンブリ（１２６）であって、
   接続チューブ（１３８）を通じて第１のインレット（１３４）部分と連絡した第１段熱交換器（１３０）と、
   接続チューブ（１４０）を通じて第１段熱交換器と連絡した液体コンテナ（１４２）と、
   該第１のサブアセンブリ内の第１タイプの冷媒と、
   一方の端部が第１の液体コンテナと熱的に接触しておりかつ別の端部が超伝導マグネットと熱的に接触している熱リンク（１４６）と、
   を備えた第１のサブアセンブリ（１２６）と、
   第２のサブアセンブリ（１２８）であって、
   接続チューブを通じて第２のインレット部分（９０）と連絡した第２段熱交換器（１３２）と、
   冷媒通路を有しかつ超伝導マグネットと熱的に接触しており、接続チューブを通じて第２段熱交換器と流体結合させた少なくとも１つの開口部を有するマグネット冷却チューブ（９６）と、
   マグネット冷却チューブを通って流れる第２タイプの冷媒であって該第１と第２の冷媒は異なっている第２タイプの冷媒と、
   を備えた第２のサブアセンブリ（１２８）と、
   を備え、
   前記第１段熱交換器（１３０）は、前記超伝導マグネットを囲繞するクライオスタット（７５）内で、前記液体コンテナ（１４２）の上方に配置され、
   前記第２段熱交換器（１３２）は、クライオスタット（７５）内で、冷却通路のマグネット冷却チューブの上方に配置され、
   前記第２タイプの冷媒は第１タイプの冷媒の液化温度と比べてより低い液化温度を有する、
   超伝導マグネット向け冷却システム。
9. 前記熱リンクは熱伝導性プレートを含む、請求項８に記載のシステム。
10. クライオスタット外部に配置され、第１及び第２段熱交換器（１３０、１３２）を冷却する冷凍機（８６）を備える、請求項８または９に記載のシステム。