JP6181127B2 - 無冷媒型磁石のための管状の熱スイッチ - Google Patents

Description

本出願は、例えば超電導磁気共鳴撮像又は分光法の磁石のような、超電導体をその臨界温度より下に冷却する冷却手続き及びシステムに特に有用であることが分かる。しかしながら、説明する技術は、他の形式の医用システム、他の冷却システム及び/又は他の冷却アプリケーションに応用されることも分かっている。

超電導ＭＲＩ磁石を冷却する従来の冷却システムは、液体の低温流体（例えば液体ヘリウム等）で満たされた大きなデュワー(dewar)を用いている。このデュワーは高価であり、かなり場所を取る。

初期冷却中、ヘリウムガス及び磁石は通例、第１段の冷却器を用いて約２５ケルビン（Ｋ）に冷却される。第２段の冷却器は、前記ヘリウムを２５Ｋからこのヘリウムの凝結温度の４．２Ｋに冷却する。

温度がひとたび２５Ｋより下に達したら、温かい２５Ｋの第１段は、前記第２段から熱的に切り離される。２５Ｋ辺りの温度で効果的に熱を切り替えるのは、不便であり、複雑になり得る。

ＭＲＩ磁石のための２段の蓄冷型冷凍システムの第１段を熱的に切り替えることを容易にするシステム及び方法に対し技術的に満たされていない要求がある。

ある態様によれば、超電導体を冷却するために第１及び第２の冷却段の間を受動的に切り替えることを容易にする冷凍システムは、第１段の冷却器、この第１段の冷却器に熱的に結合した第１の熱交換器、第２段の冷却器及び前記第２段の冷却器に熱的に結合した第２の熱交換器を含む。このシステムはさらに、高密度の冷却したガスが前記第１の熱交換器から前記第２の熱交換器に流れ落ちるのに通る下向流管、並びに前記第２の熱交換器が前記第１の熱交換器よりも温かいとき、低密度の温かいガスが前記第２の熱交換器から前記第１の熱交換器に流れ上がるのに通る上向流管を含んでいる。加えて、このシステムは、前記第２の熱交換器に熱的に結合した超電導体を含んでいる。

他の態様によれば、超電導体を超電導する温度に冷却する方法は、第１段の冷却器を用いて、作動ガス(working gas)を第１段の温度に冷却するステップ、前記冷却した作動ガスは、第１の熱交換器から前記超電導体と熱接触している第２の熱交換器に流れ落ち、前記超電導体から熱を吸収することを可能にするステップ、及び温かい作動ガスが前記第２の熱交換器から前記第１の熱交換器に流れ上がることを可能にするステップを有する。この方法はさらに、前記温かい作動ガスから熱を放散し、この作動ガスを前記第１段の温度に再冷却するステップ、及び前記第２の熱交換器がひとたび前記第１段の温度に凡そ達すると、前記超電導体に熱的に結合した第２段の冷却器を用いて、前記超電導体を超電導する温度に冷却するステップを有する。

他の態様によれば、超電導磁石を動作温度に冷却する装置は、作動ガスを約２５Ｋに冷却する手段、並びに前記作動ガスが循環する及び超電導磁石が約２５Ｋになるまで、対流によって前記超電導磁石から熱を取り除く手段を有する。前記装置はさらに、約２５Ｋから約４Ｋに前記超電導磁石を冷却する、並びに動作中、前記超電導磁石を約４Ｋに維持する手段を含む。

１つの利点は、切り替え動作が受動的であり、機械的又は可動部品を必要としないことである。

他の利点は、約４Ｋでの冷凍機の第１段と磁石との間の断熱が最大であることである。

他の利点は、全ての温度範囲にわたる高圧、高密度のガスの動作にある。

本発明のさらに他の利点は、以下の詳細な説明を読み、理解すると、当業者によって分かるだろう。

これら図面は様々な態様を説明するためだけであり、限定するとは考えない。

２段の冷凍システムを含む磁気共鳴システムを説明し、選択した内部の構成要素を概略的に公開するために部分断面図で示す。 開示される様々な実施例に従って、管状の熱スイッチを用いた２段の冷凍システムを説明している。 開示される１つ以上の態様に従って、ＭＲＩ磁石を室温から約４Ｋに冷却するように２段の冷凍機の動作を制御するために使用される熱スイッチを受動的に調整するための処理フローを説明している。

ＭＲＩ磁石又は他の超電導体をそれが超電導をする温度、例えば４Ｋに冷却するためのシステム及び方法が開示され、この冷却は、選択した温度、例えば２５Ｋでシステムの第１段を受動的に断熱し、システムの第２段を稼働させる管状の熱スイッチを備える２段冷凍機を使用する。図１を参照すると、磁気共鳴（ＭＲ）システムは、通常は円筒形状又は環状のハウジング１２を有するＭＲスキャナ１０を含み、このハウジングは、選択した内部部品を図示するために、図１において部分断面図で示される。このハウジング１２は、ハウジング１２の円筒又はトロイド(toroid)軸と同心のボア１４を定めている。被験者は、撮像するためにボア１４内に収容される。ソレノイド巻き線により定められる熱遮蔽された主磁石２０は、少なくともボア１４の検査領域内に、前記円筒又はトロイド軸と通常は平行である場の方向を持つ静磁場（Ｂ_０）を生成する。主磁石２０の巻き線は超電導を行い、例えば真空チャンバ又はヘリウムガス若しくは他の作動ガス（例えば熱交換ガス）を含むデュワー、及び加熱を最小限にするための他の断熱形式により断熱される。

ハウジング１２はさらに、ボア１４の検査領域内において選択した方向への傾斜磁場を重畳するための複数の傾斜磁場巻き線２２を含む又は支持する。これら傾斜磁場は一般に時間的に変化する。説明する実施例として、スライス選択式の傾斜磁場は、軸スライスを選択するために、磁気共鳴励起中に前記ボアの軸１６に沿って印加され、この軸スライスを横断する位相符号化傾斜磁場が印加される休止時間が続き、周波数符号化傾斜磁場が前記軸１６及び位相符号化方向の両方を横断する方向に印加される読み出し時間が続く。さらに複雑なシーケンス、例えばエコープラナー撮像法（ＥＰＩ）において、正弦波又は他の急速時変する傾斜磁場が前記傾斜磁場巻き線２２を選択的に通電することにより印加される。

前記磁気共鳴励起は、１つ以上の無線周波数コイル２４に無線周波数（Ｂ_１）パルスを磁気共鳴周波数（例えば３．０Ｔの場における^１Ｈの励起に対し１２８ＭＨｚ）で印加することにより生成される。説明する実施例において、無線周波数コイル２４は、軸１６と同軸のハウジング１２に又はその中に配される"全身用"ボリュームコイル、例えばバードケージ型コイル又はＴＥＭ(transverse electromagnetic)コイルである。より一般的には、例えば頭部コイル、四肢コイル、表面コイル等のような局所コイル又はコイルアレイがＭＲ励起に使用される。ＭＲの読み出しは、励起に使用したのと同じ（複数の）コイル２４を用いて行われてもよいし、又はこのＭＲの読み出しは、（複数の）異なる無線周波数コイル（図示せず）により行われてもよい。

説明する実施例において、患者ローディングシステムは、ベッド３２上の患者がＭＲスキャナ１０のボア１４内に移送されるように、ハウジング１２の端に配される患者寝台３０を含んでいる。このＭＲシステムはさらに、ＭＲデータを取得し、この取得したＭＲデータを処理するようにＭＲスキャナ１０を制御するのに適したＭＲ電子機器モジュール３４を含んでいる。例えば、このＭＲ電子機器モジュール３４は、画像再構成モジュール、分光モジュール等を含んでもよい。コンピュータ又はＧＵＩ(graphic user interface)３６は、ＭＲシステムとのユーザインタフェースを提供し、このコンピュータ３６で実行するソフトウェアとしてＭＲ電子機器モジュール３４の一部又は全てを包含してもよい。このように、ＭＲスキャナ１０は、ボア１４の検査領域内に位置決められる関心領域（ＶＯＩ）の画像を生成する。

ＭＲシステムは液体ヘリウムを使わずに動作することができる磁石冷却システム又は冷凍機４２も含んでいる。超電導磁石２０を磁石が超電導する温度にさせるために用いられる低温（例えば約４Ｋ）を達成するために、冷却システム４２は、約２５Ｋ（又は他の選択した温度）に冷却する第１段５２、及び約４Ｋ（又は他の何らかの既定の温度）に冷却する第２段５４を含んでいる。磁石の初期冷却中、この磁石を約２５Ｋに下げさせるために第１段の冷却器を使用し、次いで磁石を約４Ｋに下げさせるために、第２段の冷却器に切り替えることが有利である。この冷却システム４２は、図２に関して詳細に説明されるように、第１段との熱伝達を受動的にオンにしたりオフにしたりするような方法で前記第１段及び第２段を結合する。

説明するＭＲスキャナ１０は一例である。ここに開示される、ＭＲスキャナシステムにおいて無冷媒(cryo-free)磁石を冷却する手法は、説明した水平円筒形ボアのスキャナ１０、すなわち開放型のＭＲスキャナ、垂直磁石のＭＲスキャナ等を含む如何なる形式のＭＲスキャナ、並びに極低温で動作する他のスキャナと共に応用可能である。

図２は、冷却システム４２の実施例を説明する。このシステムは、２段の蓄冷型冷凍機であり、この冷凍機において、第１段の冷却器５２は、作動ガス（及びそれにより磁石２０）を第１の温度（例えば約２５Ｋ）に冷却し、第２段の冷却器５４は、磁石が第１の温度に達したときオンになり、作動ガス及び磁石を第２の温度（例えば約４Ｋ）に下がるまで冷却し続ける。この第１段は、"高位"側５８及び"低位"側６０を持つ（例えば銅等から形成される）熱交換器５６を含んでいる。ヘリカル又は螺旋状に巻かれた管６２は、前記高位側５８にあるハイポート６４から前記低位側６０にあるローポート６６まで第１段の熱交換器の周りに巻かれている。管はさらに第２段の熱交換器７０の周りをヘリカル又は螺旋状に巻かれている。

上向流(up flow)管７２は、第２段の熱交換器のハイポート７４を第１段の熱交換器５６のハイポート６４に接続している。下向流(down flow)管７６は、第１段の熱交換器５６の低位側６０にあるローポート６６と、第２段の熱交換器７０の低位側にあるローポート７８とに結合される。弁を備える充填管８０は、この閉ループのシステム、例えば下向流管７６に結合される。弁が開かれるとき、加圧した熱交換器ガス（例えば"作動"ガス）、例えばヘリウムが冷却システム４２に加えられ、システムが動作する準備をする。動作するとき、熱交換器ガスは、第１段の冷却器５２と第２段の熱交換器７０との間を流れる。第２段の熱交換器７０の下端８４は、磁石２０と（直接又は間接的に）熱的に結合し、磁石から熱を逃がす。

第２段の熱交換器７０が第１段の熱交換器５６よりも熱くなるとき、冷却した、より高密度の熱交換ガス（又は濃縮した液体）は、前記下向流管７６を通り、温かい第２段の熱交換器の下端に流れる。この熱交換器ガスが第２段の熱交換器から熱を奪うので、このガスは温まり、密度が低くなる。この低密度の熱交換器ガスは、第２段の熱交換器の最上端にある上部ポート７４まで上昇し、上向流管を通り第１段の熱交換器の最上部のポート６４に上昇する。熱交換器ガスは第１段５２により冷却されるので、このガスは、密度が高くなり、第１段の熱交換器の最下部のポート６６に流れ落ち、下向流管７６を下る。このようにして、第１段及び第２段の熱交換器の間の温度勾配は、熱交換器ガスを循環させる。

第１段及び第２段の熱交換器がひとたび平衡になったら、熱交換器ガスの密度の変化はなくなり、前記循環は止まる。第２段５４は次いで、第２段の熱交換器７０をさらに低い温度に冷却することを始める。第２段の熱交換器にある熱交換器ガスが最も冷たいので、このガスは最も密度が高く、第１段の熱交換器に上昇しない、すなわち循環が止まったままである。第２段５４は、第２段の熱交換器を超電導する又は臨界温度に冷却し続ける。前記第２段の熱交換器は、熱伝導性の固体又は材料によって磁石と熱接続されることができ、この磁石から熱を奪う。前記作動ガスが加熱されるとき、このガスは、再冷却されるべき第１段の熱交換器に上昇する。この循環は磁石を臨界温度に又はその温度より下に保ち続ける。

ある実施例において、前記第１段の冷却器は、第１段の熱交換器を約２５Ｋに冷却し、管は、少なくとも約２５Ｋまで下がり、ガス状のままである熱交換器ガスで満たされると共に、封止されている。磁石２０が２５Ｋより上にあるとき、第１段の冷却器５２により冷却されたガスは、重力によって前記流管を通り第２段及びＭＲＩ磁石に隣接しているコイル管に流れる。第２段の熱交換器７０に結合されるコイル内のガスは、磁石が約２５Ｋであるとき、この磁石により温められる。この温められたガスは、前記第２段の熱交換器７０から流れ、温かいガスと冷たいガスとの密度の差によって、上向流管６２を通り上昇し、第１段の熱交換器５６に戻り、ここで再び冷却される。このようにして、熱交換器ガスは、熱交換器ガスの循環が止まる約２５ＫにＭＲＩ磁石が冷却されるまで、循環し続ける。第２段は次いで、磁石を２５Ｋより下の約４Ｋに冷却する。

前記第１段は第２段よりも高位にあるため、上向流管にあるガスの自然対流によって、第２段の熱交換器から上向流管を通り第１の熱交換器に熱が移動する。この向きは、上方の熱交換器から下方の熱交換器への冷たい高密度のガスの重力により引き起こされる循環、及び下端で加熱された温かいガスの帰還を生じさせる。管の下端が上端よりも冷たくなる場合にこの循環は止まる。冷凍機の第１及び第２段にこの現象を適応させることは、室温から約４．２Ｋまでの全ての冷却範囲にわたるこの冷凍機の最も効果的な使用を可能にする。

２段の蓄冷型冷凍機の冷却特性は、上記熱スイッチの使用に役立つことである。第１段の冷却器２５は、約３００Ｋから約２５Ｋまでの温度範囲にわたり第２段の冷却器５４よりも良好な冷却能力を提供するように設計される。前記冷凍機の第２段は、約２５Ｋから約４Ｋまでの良好な冷却能力を提供する。それ故に、約３００Ｋから約４Ｋまでの全範囲にわたり最大の冷却を磁石２０に供給するために、磁石は３００Ｋからの初期冷却中、第１段の冷却器５２に熱的に取り付けられ、次いで磁石が約２５Ｋよりも下に冷却された後、第１段の冷却器５２から切り離される。

ガス管の配置は、この管が低沸点温度のガスで満たされているとき、この能力を提供する。これは、例えばヘリウム、水素、ネオン及び窒素のようなガスを含んでいる。水素及びヘリウムは、これらの優れた熱伝導特性及び低沸点温度のために効果的である。加えて、受動型スイッチから最大の熱効率を達成するために、前記管の配置の上端及び下端での伝熱は最大となる。つまり、ここに開示される管の設計は、冷凍機の第１及び第２段に取り付けられた、螺旋（例えばヘリカル）状に巻かれた熱交換器を介して最適な熱性能を可能にする。

その上、ここで説明される第１及び第２の温度（例えば夫々２５Ｋ及び４Ｋ）は説明であること、並びに説明されるシステム及び方法がこれらの温度に限定されないことは分かっている。寧ろ、第１段の冷却器は、熱交換器ガスを他の選択した温度に冷却してもよい。すなわち、第１及び第２の温度は、使用される特定のガスの沸点によって単に限定される。選択したガスが前記第１の温度、及び既定の圧力（例えば５００ｐｓｉ又は他の何からかの好ましい圧力）でガス状態のままでいる限り、説明したシステム及び方法における使用に適している。例えば、窒素ガスが熱交換器ガスとして使用される場合、第１の温度は約６０Ｋであり、Ｎ_２ガス流はその温度より下では循環を止め、第２段の冷却器は、最終的な動作温度（例えば第２の温度）まで磁石を冷却することを引き継ぐ。

図２は故に、管状の受動型熱スイッチの概念設計を説明している。このスイッチは、冷凍機の第１段５２、及びＭＲＩ磁石２０に熱的に結合した冷凍機の第２段５４に夫々取り付けられる２つの熱交換器５６、７０を有する。下向流管７６及び上向流管６２は、管に含まれるガスに流れの巡回を供給する前記２つの熱交換器に接続される。ある実施例において、これら熱交換器は、冷凍機並びに磁石及び/又は第２段に取り付けられる銅製の冷却板上に管を螺旋状に巻くことにより製造される。この設計は、冷凍機の第１段が磁石よりも冷却されるとき、重力により引き起こされる熱対流によって磁石２０を冷却し、磁石及び第２段がひとたび冷凍機の第１段よりも冷たくなると前記流れを止めることにより、前記磁石を切り離す効果的な熱伝導スイッチを生成する。管の設計は、従来の手法よりもより簡単であり、最小限の構造的制限を用いた高圧、高密度のガスの使用を可能にする。前記システムの受動的動作は、熱交換する及び熱交換しないのスイッチを調整するための機械的な対話を必要としない。

図３は、ここに開示される１つ以上の態様に従って、室温から例えば約４ＫまでＭＲＩ磁石又は他の低温の超電導体を冷却するための２段の冷凍機の動作を制御するのに使用される熱スイッチを受動的に調整するための処理フローを説明する。１００において、冷凍機の配管システムは作動ガス（例えば水素、ヘリウム、窒素、ネオン等）で満たされている。１０２において、第１段の冷却器は、この冷却器を又はその近くを通るガスを第１段の温度、例えば２５Ｋに冷却する。１０４において、冷えたガスは、下向流管を通り第２段の熱交換器に流れ、ここでガスは、ＭＲ磁石から熱を吸収する。１０６において、温められたガスは、上向流管を通り前記第１段の熱交換器に上昇し、ここで熱は放散され、前記第１段の冷却器は再びガスを冷却する。この処理は、磁石及び第２段の熱交換器が第１段の温度に達するまで続く。

１０８において、前記磁石及び第２段の熱交換器がひとたび第１段の温度に又はそれより下になると、管を通る流れは止まる。第１段の冷却器及び熱交換器が、第２段の構成要素及びＭＲＩ磁石の温度に等しい又はそれより高くなる場合、ガスは第２段の熱交換器から熱を吸収すること及び第１段に上昇することを止める。第２段の冷却器は１１０においてオンになり、磁石をその周囲温度、例えば約４Ｋに冷却する。第２段の冷却器は、１１２において磁石が用いられるＭＲ装置の動作中、超電導する温度を維持する。

本発明は、幾つかの実施例を参照して説明されている。上記詳細な説明を読み、理解すると、他の者に改良案及び変更案が思いつくことがある。このような改良案及び変更案の全てが添付した特許請求の範囲又はそれに相当するものの範囲内にある限りにおいて、本発明はこれら改良案及び変更案の全てを含んでいると解釈されることを目的としている。

Claims (15)

1. 第１段の冷却器、
   前記第１段の冷却器に熱的に結合した第１の熱交換器、
   第２段の冷却器、
   前記第２段の冷却器に熱的に結合した第２の熱交換器、
   前記第２の熱交換器が前記第１の熱交換器よりも温かいとき、高密度の冷却したガスが自然対流により前記第１の熱交換器から前記第２の熱交換器に流れ落ちるのに通る下向流管、
   前記第２の熱交換器が前記第１の熱交換器よりも温かいとき、低密度の温かいガスが自然対流により前記第２の熱交換器から前記第１の熱交換器に流れ上がるのに通る上向流管、並びに
   前記第２の熱交換器に熱的に結合した超電導体
   を有する、前記超電導体を冷却するために、第１及び第２の冷却段を受動的に切り替えることを容易にする冷凍システム。
2. 前記下向流管は、前記第１の熱交換器の低位側にあるローポートと、前記第２の熱交換器の低位側にあるローポートとに結合され、
   前記上向流管は、前記第１の熱交換器の高位側にあるハイポートと、前記第２の熱交換器の高位側にあるハイポートとに結合される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ガスはヘリウムガスである、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記ガスは、水素ガス、ネオンガス又は窒素ガスの１つである請求項１又は２に記載のシステム。
5. 前記第１段の冷却器は前記ガスを約２５ケルビン（Ｋ）に冷却する、請求項１乃至４の何れか一項に記載のシステム。
6. 冷却したガスは、重力により前記第１の熱交換器の低位側から前記下向流管を通り前記第２の熱交換器の低位側に流れ落ち、前記超電導体が約２５Ｋよりも温かい間、前記超電導体から熱を吸収し、前記超電導体から熱を吸収した前記温かいガスは、前記第２の熱交換器の高位側から前記上向流管を通り前記第１の熱交換器の高位側に上昇し、熱が放散され、前記ガスは、第１の熱交換器において約２５Ｋに冷却される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記超電導体が約２５Ｋに達したときガス流が生じ、前記第２段の冷却器は、前記第２の熱交換器を約４Ｋに冷却し、それにより前記超電導体を約４Ｋに冷却し前記超電導体を約４Ｋに維持する、請求項６に記載のシステム。
8. 前記冷凍システムは、前記超電導体は、磁場を発生させるのに用いられる超電導磁石を含んでいるＭＲ装置に結合されている請求項１乃至７の何れか一項に記載のシステム。
9. 検査領域を通る定常磁場を生成する超電導磁石、
   請求項１乃至８の何れか一項に記載の冷凍システム、
   前記検査領域から信号を受信する少なくとも１つの無線周波数コイル、及び
   前記磁気共鳴信号を処理する電子モジュール
   を有する磁気共鳴システム。
10. 第１段の冷却器を用いて、作動ガスを第１段の温度に冷却するステップ、
    前記冷却した作動ガスは、自然対流により、前記第１段の冷却器に熱的に結合した第１の熱交換器から下向流管を通り超電導体と熱接触している第２の熱交換器に流れ落ち、前記超電導体から熱を吸収することを可能にするステップであって、前記第２の熱交換器が前記第１の熱交換器よりも温かいとき、前記冷却した作動ガスが自然対流により前記第１の熱交換器から前記第２の熱交換器に流れ落ちる、ステップ、
    前記第２の熱交換器が前記第１の熱交換器よりも温かいとき、温かい作動ガスが自然対流により前記第２の熱交換器から上向流管を通り前記第１の熱交換器に流れ上がることを可能にするステップ、
    前記温かい作動ガスから熱を放散し、前記作動ガスを前記第１段の温度に再冷却するステップ、並びに
    前記第２の熱交換器がひとたび前記第１段の温度に凡そ達すると、前記超電導体に熱的に結合した第２段の冷却器を用いて、前記超電導体を超電導する温度に冷却するステップ
    を有する超電導体を超電導する温度に冷却する方法。
11. 前記超電導する温度は約４Ｋである、請求項１０に記載の方法。
12. 前記超電導体は、磁気共鳴装置に用いられる磁石を含んでいる請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 前記作動ガスはヘリウムガスである請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記作動ガスは水素ガス、ネオンガス又は窒素ガスの１つである請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記作動ガスは、前記第２の熱交換器が前記第１の熱交換器よりも冷たくなると、前記第１及び第２の熱交換器の間を流れることをやめ、それにより前記第１及び第２の熱交換器を断熱する、請求項１１乃至１４の何れか一項に記載の方法。

Images