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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-22
(45)【発行日】2024-08-30
(54)【発明の名称】高温超電導（ＨＴＳ）リードのクエンチ保護
(51)【国際特許分類】
H01F 6/00 20060101AFI20240823BHJP
H01F 6/02 20060101ALI20240823BHJP
H01F 5/00 20060101ALI20240823BHJP
H10N 60/81 20230101ALI20240823BHJP
【ＦＩ】
H01F6/00 180
H01F6/02
H01F5/00 C
H10N60/81
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2021575292
(86)(22)【出願日】2020-06-10
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-08-29
(86)【国際出願番号】 EP2020066005
(87)【国際公開番号】W WO2020254158
(87)【国際公開日】2020-12-24
【審査請求日】2023-06-08
(31)【優先権主張番号】62/864,037
(32)【優先日】2019-06-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】590000248
【氏名又は名称】コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ
【氏名又は名称原語表記】Ｋｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ．
【住所又は居所原語表記】Ｈｉｇｈ Ｔｅｃｈ Ｃａｍｐｕｓ ５２， ５６５６ ＡＧ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ
(74)【代理人】
【識別番号】110001690
【氏名又は名称】弁理士法人Ｍ＆Ｓパートナーズ
(72)【発明者】
【氏名】ファン ラネン エズラ ペトルス アントニウス
(72)【発明者】
【氏名】ヴォス マシュー ジョナサン
(72)【発明者】
【氏名】ロジャース ジョン
(72)【発明者】
【氏名】アーバン ジョン アーサー
(72)【発明者】
【氏名】パイン アレクサンダー ジェームス
【審査官】後藤 嘉宏
(56)【参考文献】
【文献】特開平０６－１４０２４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１０８９３３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平０４－１４７６８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－１５４６１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－２７４０１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１８７４３９（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｆ ６／００
Ｈ０１Ｆ ６／０２
Ｈ０１Ｆ ５／００
Ｈ１０Ｎ ６０／８１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
極低温液体が含まれているクライオスタットと、前記クライオスタット内に配設された１つ以上の電気超電導コイルであって、電流が通過するときに磁場を生成する、１つ以上の電気超電導コイルと、
前記クライオスタット内に恒久的に配設され、前記１つ以上の電気超電導コイルに結合されている１つ以上の高温超電導（ＨＴＳ）電流リードと、
前記ＨＴＳ電流リードの状態をモニタリングするために前記１つ以上のＨＴＳ電流リードに又はその付近に配置される１つ以上のセンサと、
前記１つ以上のＨＴＳ電流リードに選択的に結合され、前記１つ以上のＨＴＳ電流リードを保護するためのＨＴＳ保護スイッチと、
前記ＨＴＳ保護スイッチを制御するための磁石コントローラと、
前記クライオスタット内で前記１つ以上のＨＴＳ電流リードと外部電流端子との間に配設され、前記１つ以上のＨＴＳ電流リードを前記クライオスタットの外側に配設された１つ以上のデバイスに電気的に結合するラッチ式機械的スイッチと、
を含み、
前記センサを介して前記１つ以上のＨＴＳ電流リードのクエンチが検出されると、前記磁石コントローラが、前記ＨＴＳ保護スイッチを制御して、前記１つ以上のＨＴＳ電流リードからの電流を迂回させ、
前記ラッチ式機械的スイッチは、開状態及び閉状態を有し、電気パルスに応答して、前記開状態と前記閉状態とを切り替える、装置。
【請求項2】
前記１つ以上のＨＴＳ電流リードは、希土類バリウム銅酸化物（ＲｅＢＣＯ）から形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記閉状態にある前記ラッチ式機械的スイッチは、停電中閉じたままになる、請求項１に記載の装置。
【請求項4】
前記ラッチ式機械的スイッチが電流を搬送するとき、前記磁石コントローラは、前記ラッチ式機械的スイッチを切り換えるための信号を生成しないことによって、前記ラッチ式機械的スイッチが開くことを防ぐ、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項5】
前記１つ以上のセンサは、電圧センサを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項6】
前記１つ以上のセンサは、温度センサを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
[0001] 以下は、概して超電導永久磁石に関し、特に、磁気共鳴イメージングのための超電導永久磁石内の高温超電導電流リードのダメージを防ぐためのシステム及び方法、並びに関連技術に関連する。
【背景技術】
【0002】
[0002] 磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）スキャナは、通常、超電導磁石を使用して静磁場（Ｂ０）を発生させる。超電導巻線は、典型的に銅マトリックスに埋め込まれた超電導ファイバとして構築され、液体ヘリウムに浸漬されて、動作電流における超電導のために臨界温度未満に巻線を維持する。液体ヘリウムは、ヘリウムを極低温（例えば４Ｋ以下）に維持するコンプレッサによって動作させられるコールドヘッドを有する真空被覆クライオスタットに収容されている。
【0003】
[0003] この設計の欠点は、通常、一部のヘリウムのボイルオフが発生し、場合によってはヘリウム供給を補充しなければならない場合があることである。さらに、メンテナンスを実行するために磁石を室温まで上げると、通常ヘリウム供給全体が失われ、補充しなければならない。
【0004】
[0004] より最近の超電導磁石設計の中には、高圧（例えばいくつかのシステムでは１０００ｐｓｉ）でガスヘリウムが充填され、真空クライオスタットに配設される密閉型冷却システムを採用しているものもある。コールドヘッドは、密閉型冷却システムを極低温（例えば４Ｋ以下）に冷却するために動作し、ヘリウムチャージは、この低い動作温度で少なくとも部分的に液化されている。磁石巻線は、クライオスタットの内側の真空中にあり、密閉型冷却システムの外側にあるが、密閉型冷却システムと熱接触している。このような「密閉型」超電導磁石は、ヘリウム損失の傾向がなく、磁石巻線が液体ヘリウムに浸されている従来の超電導磁石設計と比較してはるかに小さいヘリウムチャージを使用する。
【0005】
[0005] 密閉型超電導磁石の潜在的な欠点の１つは、（例えば停電による）コールドヘッド機能の一時的な損失が原因でよりクエンチしやすいことである。しかしながら、最新の超電導磁石巻線は、超電導ファイバが正常状態に入るときに銅マトリックスが高い導電率を提供することによるダメージなしで、クエンチの相対的に均一な拡散及びクエンチが開始する時点からの熱放散を促進する巻線設計と共に、クエンチを受けることが可能である。
【0006】
[0006] 浸漬又は密閉型超電導磁石設計では、超電導巻線の端子とのガルバニック接触により磁石の通電又は通電解除が行われる。クライオスタットのポートは典型的にこのために提供されており、金属リードを挿入して磁石端子に接触できる。これにより、リードから超電導巻線の端子の周りの超電導体への熱伝達により、ガルバニック接点に近接する非超電導領域（すなわち、常導電領域）が生じることがある。この常導電領域の電流は、銅マトリックスによって搬送される。Ｕｒｂａｈｎらは、２０１７年１０月１９日に公開された国際特許公開ＷＯ２０１７／１７８５６０Ａ１で、例えば、ビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（ＢＳＣＣＯ）、イットリウムバリウム銅酸化物（ＹＢＣＯ）、又はニホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）などの高温超電導（ＨＴＳ）材料で作られているＨＴＳリードを用いる代替設計を開示している。ＨＴＳリードは、ＨＴＳ材料及び電流の大きさに応じて、２５Ｋ～９０Ｋ以上の超電導率の臨界温度を有する。ＨＴＳリードは、クライオスタットの外側の室温から超電導磁石巻線の４Ｋ以下の温度への滑らかな遷移を有利に提供する。
【発明の概要】
【0007】
[0007] 以下に、これらの問題及び他の問題を解決するためのいくつかの改良点について開示する。
【0008】
[0008] 一態様では、装置は、ある量の極低温液体が含まれているクライオスタットを含む。１つ以上の電気超電導コイルがクライオスタット内に配設されている。１つ以上の電気超電導コイルは、電流が通過するときに磁場を生成する。１つ以上の高温超電導（ＨＴＳ）電流リードが、クライオスタット内に恒久的に配設され、１つ以上の電気超電導コイルに結合されている。１つ以上のセンサが、１つ以上のＨＴＳ電流リードに又はその近くに配置され、ＨＴＳ電流リードの状態をモニタリングする。ＨＴＳ保護スイッチが、１つ以上のＨＴＳ電流リードに選択的に接続されている。１つ以上のＨＴＳ電流リードのクエンチがセンサを介して検出されると、磁石コントローラがＨＴＳ保護スイッチを制御して、１つ以上のＨＴＳ電流リードからの電流を迂回させる。
【0009】
[0009] 別の態様では、医用イメージングデバイス用の装置は、少なくとも１つの超電導電流リードを含む。少なくとも１つの電圧センサが、少なくとも１つの超電導リードの電圧を測定する。保護スイッチが、少なくとも１つの超電導電流リードからの電流を迂回させる。電圧センサが少なくとも１つの超電導リードの電圧が遮断閾値を超えたことを検出することを含む遮断条件に応答して、電子機器が、電力回路を遮断するように保護スイッチを制御する。
【0010】
[0010] 別の態様では、医用イメージングデバイス内の高温超電導体（ＨＴＳ）リードをクエンチから保護する方法は、少なくとも１つのＨＴＳリードの両端の電圧を測定するステップと、測定された電圧が、対応する定義済み閾値の範囲外であるかどうかを決定するステップと、測定された電圧が定義済み閾値の範囲外であるときに、少なくとも１つのＨＴＳリードと医用イメージングデバイスの電子機器との間の接続を切断するステップとを含む。
【0011】
[0011] 本明細書に開示するいくつかの例示的な実施形態は、電源及び電流リードが恒久的に設置されていることで、超電導磁石の現場に専門担当者が出張することを必要とする問題を解決する。制御機器が、磁石内の極低温条件をモニタリングし、決定木を使用して磁石を自動的に通電解除するか又は公称磁場を支援するために磁石に自動的に通電するかを決定する。さらに、承認されたユーザ（例えばオペレータ）が、必要に応じて、磁石を自動的に通電解除したり、公称磁場を支援するために磁石に自動的に通電したりするためのユーザインターフェースも提供されている。
【0012】
[0012] 例えば従来の磁石に通電するには、サービス担当者や特殊な機器が必要である。磁気を帯びた異物（例えば患者のベッドや床の緩衝材）が磁石に貼り付いた場合、その物体を磁石から取り除く時間とコストは、ユーザ（例えば病院、診療所）にとって大きな負担となることがある。元のヘリウムインベントリのごく一部しかないより新しいタイプの「密閉型」磁石では、磁石の自動通電はより一層望ましい。ヘリウム槽タイプの磁石とは異なり、小さなヘリウムインベントリでは数時間の冷却障害しかサポートできない。その後、クライオスタットに移動した残留熱により、超電導が維持されなくなる点までコイル温度が上昇され、磁石は「クエンチ」する（熱暴走により磁場が急速に減衰し、コイル温度が上昇する）。サービス担当者が時間内に現場に到着し、磁石の通電解除を準備する可能性は低い。自動ランピング又はユーザが開始するランピング（例えば通電、通電解除）では、磁石のエネルギーを外部ダンプに放出することで、この状態を防止できる。ＭＲＩスキャナの設置場所での停電により、冷却障害が発生することがある。電力が回復すると、自動電源は人の介入なしに磁石に再び通電できる。同様に、異物が磁石に貼り付いたときや、他の任意の所望の目的で、ユーザは、磁石の通電解除を開始できる。異物が磁石から取り除かれたとき又はユーザが磁石の再通電が望ましいと判断したとき、ユーザは磁石の通電を開始できる。これにより、動作可能時間が最大化され、結果として顧客に対するシステムの価値が高くなる。
【0013】
[0013] １つの利点は、ＨＴＳリードがクエンチした場合に超電導磁石のＨＴＳリードが保護される点にある。
【0014】
[0014] 別の利点は、超電導磁石のＨＴＳリードのクエンチが防止される点にある。
【0015】
[0015] 別の利点は、ＨＴＳリードのダメージを防ぐことで、メンテナンス時間及びコストが削減される点にある。
【0016】
[0016] 別の利点は、ＨＴＳリードからの電流を迂回させることによってリードのクエンチが防止される点、又は、ＨＴＳクエンチが発生した場合に、ＨＴＳリードへのダメージが防止される点にある。
【0017】
[0017] 別の利点は、上記の利点のうちの１つ以上を備えた超電導磁石を用いるＭＲＩデバイスが提供される点にある。
【0018】
[0018] 所与の実施形態は、上記の利点のいずれも提供しない、上記の利点のうちの１つ、２つ以上、又はすべてを提供することができ、及び／又は、本開示を読んで理解した上で、当業者には明らかになる他の利点を提供することもある。
【図面の簡単な説明】
【0019】
[0019] 本開示は、さまざまな構成要素及び構成要素の配置、並びに、さまざまなステップ及びステップの配置の形態をとることができる。図面は、好ましい実施形態を説明することのみを目的とし、本開示を限定していると解釈されるべきではない。
【0020】
【発明を実施するための形態】
【0021】
[0024] ＨＴＳリードは、極低温であるが異なる温度で動作する磁石の部分間の電気的接続として、他のスキームよりも優れている。ＨＴＳを組み込んだアセンブリの低～ゼロの電気抵抗は、磁石部分間に電流を搬送するために使用されると、オーム加熱を大幅に低減し、また、高い熱抵抗は、これらの部分間の熱伝達を低減する。
【0022】
[0025] 一方、超電導磁石巻線に使用されるような低温超電導体（ＬＴＳ）リードは、銅マトリックス内に超電導金属フィラメントを用いている。これらのフィラメントの臨界温度を超えると（例えばフィラメントが「クエンチ」すると）、周囲の銅マトリックスが電気を伝導し始め、今度は抵抗性である（正常の）フィラメント部分の周りの電流を短絡する。これにより、フィラメント内のオーム加熱が低減され、発生した熱がすぐに銅を介して正常領域から離れて伝導するため、繊細なフィラメントへの恒久的なダメージが防止される。
【0023】
[0026] 対照的に、ＨＴＳ構成要素は、典型的に比較的最小の金属量に接合された超電導セラミック材料である。したがって、クエンチ中に正常領域の周りで短絡された電流及び正常領域から離れて搬送される熱は、繊細なセラミックへの恒久的なダメージを防ぐには不十分な場合が多い。このクエンチ中にＨＴＳが保持する電流によって、数百ミリ秒以内にＨＴＳへの恒久的なダメージが発生する可能性がある。
【0024】
[0027] この状況は、超電導ファイバが正常状態に入った場合に、銅マトリックスが低い（有限ではあるが）電気抵抗を提供する超電導磁石巻線の場合と区別されるべきである。対照的に、ＨＴＳ材料は典型的には高い電気抵抗を示すセラミックであり、ＨＴＳリードがクエンチした場合は電流負荷を受けることができない。したがって、ＨＴＳリードは、クエンチ開始から１秒以内、実際には、これよりもはるかに速く、例えば１００ミリ秒又は数百ミリ秒で、すぐに修理不能なダメージを受ける可能性がある。
【0025】
[0028] 本明細書では、恒久的に設置され、電源に接続された通電電流リードを有する永久超電導磁石を開示する。超電導を維持するためには、コイルの磁石の温度を極低温未満のままにする必要がある。超電導コイルと外界との間の恒久的な電気的接続により、外側から超電導コイルへの熱漏れが最小限に抑えられる。また、電流を搬送する間にジュール加熱（オーム加熱）が過剰に生成されるべきではなく、さもなければ、熱によってコイルが超電導状態から外れる。
【0026】
[0029] 本明細書では、超電導コイルと磁石の真空空間外の機器との電気的接続の一部としてＨＴＳリードアセンブリを用いる永久超電導磁石を開示する。具体的には、ＨＴＳは、ＬＴＳコイルと磁石の高温（すなわち、ＬＴＳを禁止するが、ＨＴＳに対応する）部分との間に高い（数百アンプの）電流を搬送するために使用される。
【0027】
[0030] ＨＴＳ希土類バリウム銅酸化物（ＲｅＢＣＯ）リードが代わりに使用される。これは、ＲｅＢＣＯリードは両方のエリアをカバーするからである。ジュール損失なしではるかに高い温度まで高電流を搬送でき、また、特に低い熱伝導率で製造できる。磁石への熱漏れをさらに低減するために、ＨＴＳ電流リードと外部電流端子との間に機械的スイッチ（熱スイッチ）が磁石内に設置されている。これらのスイッチは、ＨＴＳリードを流れる電流が必要な場合にのみ閉じ、そうでなければ開いている。ＨＴＳはこの用途によく適している。より高い温度の磁石領域から及びＨＴＳ内のオーム加熱からＬＴＳに伝達される熱は、さまざまな磁石動作モード中にＬＴＳを超電導温度に保つことができるほど十分に小さい。
【0028】
[0031] 本明細書に開示されるいくつかの実施形態では、初期ＨＴＳリードクエンチの場合に、突然電流を遮断するための自動電流シャットオフシステムが提供されている。このシステムには、ＨＴＳリードの両端にある電圧センサが含まれている。センサは、高コモンモード除去機能を有する差動電圧計を含む、ラックに取り付けられた電子機器と電気的に接続されている。ＨＴＳリードの両端で測定された差動電圧が何らかの閾値（例えば、一実施形態では５０ｍＶ。なお、理論的には、この電圧は超電導状態のＨＴＳリードに対しては同様にゼロである）を超えた場合、作動（例えばソレノイド駆動された）カットオフスイッチが開いて電流が遮断される。変形実施形態では、電流シャットオフロジックにノイズ遅延、ローパスフィルタなどが含まれて、ノイズによる不要な電流シャットオフが回避される。いくつかの実施形態では、コンピュータグリッチに対して反応しないように、電子機器はすべてアナログ（例えばアナログオペアンプ回路を使用する）である。１つのＨＴＳリードについて上述したが、好ましくは両方のＨＴＳリードが同様にモニタリングされ、いずれかのＨＴＳリードがトリガ閾値を超える電圧を示している、したがって、ＨＴＳリードの初期クエンチを示す場合は、電流シャットオフスイッチが切り替えられる。本明細書に使用される「初期クエンチ」という用語は、ＨＴＳリード若しくはその一部が超電導状態から正常状態に移行しているか又は正常状態に移行したばかりであるが、結果として生じるジュール熱がＨＴＳリードをダメージするのに十分なレベルに達する前であることを示すように意図している。
【0029】
[0032] 本明細書に開示されるいくつかの実施形態では、ＨＴＳのクエンチによる電流の流れを中断する自動化システムが提供されている。超電導材料は、非常に低い（理論的にはゼロの）抵抗を示す。このため、電流を搬送しているＨＴＳの両端に発生する注目すべき電圧は、ＨＴＳの一部がクエンチしたことを示す。このシステムは、ＨＴＳが含まれているすべてのアセンブリの電圧をモニタリングし、閾値を上回る電圧を発生する任意のＨＴＳが含まれている電流ループを電気的に開く。これにより、そのＨＴＳ内でのさらなる加熱及びダメージが防止される。これらの測定値の低差動モード（数十ミリボルト）及び高コモンモード電圧（数百ボルト）は、注目すべきである。いくつかの変形例では、このモニタリングされた電圧はノイズフィルタ（例えばローパスフィルタ又は時間遅延）を通過して、不快なトリップを防ぐ。いくつかの変形例では、この保護システムは、コンピューティンググリッチに対するイミュニティのために、アナログ（すなわち、ソフトウェアなし）回路に完全に実装される。
【0030】
[0033] 本明細書に開示される他の実施形態では、温度センサ（例えばサーミスタ又は温度感知ダイオード）が提供される。温度は、差動電圧と比較して遅れ指標であり得、電流カットオフスイッチをトリガするためにＨＴＳリードの温度上昇の検出に依存することは、ＨＴＳリードのダメージを防ぐには遅すぎる場合がある。ＨＴＳリードの高温端にある（つまり、ガルバニックリードとの接続部に近い）温度センサは、高温端でのＨＴＳ温度が臨界温度（Ｔｃ）に近づくことに応答して、電流の大きさを下げるなど、あまり積極的ではない修復を実施するのに有益である。電流を下げると、Ｔｃが上昇し（Ｔｃは電流の大きさに依存するため）、また、ＨＴＳリードに接続された金属導体のジュール加熱によるものである場合に温度上昇（率）も低下させる場合がある。
【0031】
[0034] 本明細書に開示されるいくつかの実施形態では、ＨＴＳが温度に起因してクエンチすることを防ぐ自動化システムが提供されている。このシステムは、ＨＴＳが含まれているすべてのアセンブリの温度をモニタリングし、測定温度に対応する臨界電流内のレベルにシステム電流を安全に調整する。なお、セラミック内でのオーム加熱によるＨＴＳアセンブリの温度上昇はクエンチの遅れ指標であり、クエンチするＨＴＳに対するダメージを防ぐために十分な応答時間を提供する可能性は低い。
【0032】
[0035] 本明細書では、ＨＴＳ電流リードが電流を搬送するときの熱暴走の場合にＨＴＳ電流リードへのダメージを積極的に防ぐためのシステムを開示する。これらの電流リードは、磁石のクライオスタットの内側に恒久的に設置されており、設置場所から磁石を取り外し、磁石を製造場所又は同様の施設に返送することによってのみ交換できる。
【0033】
[0036] これらのシステムは、磁石のＨＴＳ部分のダメージを防ぐために実装される。磁石内のＨＴＳを使用するアセンブリを修理又は交換するには、磁石を工場又は同様の施設に返送し、専門的な作業を行い、かなりの時間を必要とするため、かなり望ましくない。
【0034】
[0037] 図１は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置１００の１つの例示的な実施形態を示している。ＭＲＩ装置１００は、例えば磁石１０２、患者１０を保持する患者テーブル１０４、ＭＲＩ装置１００が画像を生成する患者１０の少なくとも一部を囲む傾斜磁場コイル１０６、イメージングされている患者１０の少なくとも一部に無線周波数信号を適用し、磁場の配列を変更する無線周波数コイル１０８、及び無線周波数信号によってもたらされる磁場の変化を検出するスキャナを含む。ＭＲＩ装置の一般的な操作はよく知られているため、ここでは繰り返さない。
【0035】
[0038] 図２を参照して、例示的なシステム又は装置２００が示されている。システム２００は、超電導コイル（巻線とも呼ぶ）２０４、少量の極低温液体（例えばヘリウム）を有する閉鎖型冷却システム（図示せず）、及び磁石を動作させる他の構成要素が含まれている真空容器であるクライオスタット２０２を含む。１つ以上の電気超電導コイル２０４がクライオスタット２０２内に配設される。電気超電導コイル２０４は、電流が通過するときに磁場を生成する。
【0036】
[0039] クライオスタット２０２はさらに、１つ以上の高温超電導電流リード（すなわち、１つ以上のＨＴＳリード）２０６を収容する。高温超電導電流リード２０６は、クライオスタット内で恒久的に配設され、１つ以上の電気超電導コイル２０４に結合されている。１つ以上の高温超電導電流リード２０６は、希土類バリウム銅酸化物（ＲｅＢＣＯ）から形成される。高温超電導（ＨＴＳ）ＲｅＢＣＯリードは、ジュール損失なしではるかに高い温度まで高電流を搬送でき、特に低い熱伝導率で製造できることから大気の周囲から温度感知超電導コイルへの熱伝達を最小限に抑えることができるため、従来のリードの代わりに使用される。
【0037】
[0040] 高温超電導保護スイッチ（すなわち、ＨＴＳ保護スイッチ）２０８が、１つ以上の高温超電導電流リード及び外部デバイス（例えば、通電デバイス２１２、通電解除デバイス２１４）に選択的に結合する。高温超電導保護スイッチ２０８は、好ましくは、クライオスタット２０２の外側に配設される。高温超電導保護スイッチ２０８が第１の状態（開状態）にあるとき、１つ以上の電気超電導コイル２０４は永久状態にある。高温超電導保護スイッチ２０８が第２の状態（閉状態）にあるとき、高温超電導電流リード２０６は、１つ以上の電気超電導コイル２０４に通電又は通電解除する。一実施形態では、熱スイッチ２１０が、１つ以上の高温超電導電流リード２０６をクライオスタットの外側に配設されたデバイス（例えば通電デバイス２１２、通電解除デバイス２１４）に電気的に結合する。図２に見られるように、通電デバイス２１２／通電解除デバイス２１４を高温超電導電流リード２０６に電気的に結合するには、高温超電導保護スイッチ２０８も閉じる必要がある。言い換えれば、保護スイッチ２０８又は熱スイッチ２１０のいずれかが開いている場合、通電デバイス２１２／通電解除デバイス２１４は高温超電導電流リード２０６から電気的に結合解除されている。熱スイッチ２１０は、ラッチ式熱スイッチ又は他の任意の望ましいスイッチであってよい。一実施形態では、第１の状態は開状態であり、第２の状態は閉状態である。
【0038】
[0041] システム２００は、磁石コントローラ２２０を含む。磁石コントローラ２２０は、一般にシステムのさまざまな構成要素を制御及び／又はモニタリングし、これには、高温超電導保護スイッチ２０８の状態の制御が含まれる。例えば磁石コントローラ２２０は、高温超電導電流リード２０６、通電デバイス２１２、及び通電解除デバイス２１４のうちの１つ以上に又はその近くに配設される電圧及び温度センサ２２２に結合される。このような電圧及び温度センサは、高温超電導電流リード２０６の状態をモニタリングする。
【0039】
[0042] 磁石コントローラ２２０は、システム２００の１つ以上のセンサ２２２からの信号をモニタリングする。磁石コントローラ２２０は、例えば１つ以上のセンサ２２２からの信号を分析することで、障害又は誤作動が検出されたかどうかを決定できる。特に、磁石コントローラ２２０は、クエンチが発生しているか若しくは差し迫っていることを、障害又は誤作動が示しているかどうかを決定できる。磁石コントローラ２２０がシステム２００の障害又は誤作動を検出した場合、特に、超電導コイル２０４のクエンチが差し迫っているか又は差し迫っている可能性を示す障害又は誤作動を検出した場合、磁石コントローラ２２０は、高温超電導保護スイッチ２０８を永久状態から第２の状態に接続して、高温超電導リード２０６からの電流を、クライオスタットの外側又は外部にあり、高温超電導リード２０６のペアを介して超電導磁石の導電コイルの反対側の端を挟んで位置するエネルギーダンプユニット（通電解除ユニット）２１４に迂回させる。
【0040】
[0043] 磁石コントローラ２２０は、１つ以上の障害状態をモニタリングする。動作中、磁石コントローラ２２０は、例えば１つ以上のセンサ信号２２２を分析することで、障害又は誤作動状態が補正されたかどうかを決定する。障害が補正され、その結果、超電導コイル２０４がクエンチのリスクにはもはやなくなった場合、磁石リードはエネルギーダンプユニット２１２から結合解除され、通電デバイス２１２に結合されて、電気超電導コイルを永久状態に戻す。電気超電導コイル２０４が永久状態にある又はその近くになると、高温超電導保護スイッチ及び１つ以上の高温超電導電流リードが永久状態に切り替わる。システム２００の動作は、前述のように、磁石コントローラ２２０が磁石システムの障害又は誤動作を検出するまで永久状態で進む。
【0041】
[0044] このプロセスにより、クライオスタット２０２内のクエンチ及び高温超電導電流リード２０６へのダメージが防止され、極低温材料及び／又は電気超電導コイル２０４へのダメージが回避される。
【0042】
[0045] 本発明の１つの態様は、通電電流リードが恒久的に設置され、電源に接続されている永久超電導磁石に適用される。超電導を維持するためには、コイルの磁石の温度を極低温未満のままにする必要がある。フィールドサービス担当者の介入なしに磁石の通電及び通電解除を自動的に行うには、超電導コイルと外界との間の恒久的な電気的接続が必要である。また、電流を搬送する間にジュール加熱（オーム加熱）が過剰に生成されるべきではなく、さもなければ、熱によってコイルが超電導状態から外れる。磁石への熱漏れをさらに低減するために、ＨＴＳ電流リードと外部電流端子との間に機械的スイッチ（熱スイッチ）が磁石内に設置されている。これらのスイッチは、ＨＴＳリードを流れる電流が必要な場合にのみ閉じ、そうでなければ開いている。
【0043】
[0046] 本明細書で対処する別の問題（すなわち、故障モード）は、高温超電導電流リード２０６が電流を搬送する間に何らかの理由で正常状態（クエンチ）にされる場合、ジュール加熱によるダメージによって動作不能になる可能性があることである。別の障害モードは、熱スイッチ２１０のいずれかが電流を搬送する間に開く場合、アークが接点をダメージし、交換が必要になることである。問題は、高温超電導リード２０６及び熱接触器の両方が、密閉クライオスタット２０２の真空内にあることである。そのため、修理作業はそれらの元の工場又は同様の施設などの専用の場所でのみ行うことができる。これにより、ＭＲＩスキャナのダウンタイムだけでなく磁石の交換に必要な改修作業により、ユーザに多大なコスト及び不便が生じる。
【0044】
[0047] 前述のように、図２の実施形態は、高温超電導リード２０６の状態をモニタリングするための追加ハードウェア２２２及び制御ソフトウェアを含み、ＨＴＳのクエンチが検出されるとすぐにＨＴＳ保護スイッチ２０８を開いて、ＨＴＳリード２０６から電流を迂回させる。これは、磁石自体（つまり、超電導コイル２０４）のクエンチにつながる可能性があるが、磁石内の受動クエンチ保護回路（図示せず）によって、ジュール加熱が磁石の内部構成要素をダメージしないことが保証される。高温超電導クエンチ検出の場合は、通電制御部もまたすぐに電源をオフにし、磁石と電源との間の高温超電導電流リード２０６の電流は、ＨＴＳ保護スイッチ２０８を介してほぼ即座に除去される。
【0045】
[0048] 一実施形態では、熱スイッチ２１０はラッチ式である。例えば開状態と閉状態とを切り替えるには電気パルスのみが必要である。これは、磁石が通電又は通電解除されたときにＭＲＩサイトで停電を経験する場合、スイッチは閉じたままであることを意味する。制御ソフトウェアはさらに、電流を搬送するときにこれらの接触器を開くことができないことを確実にする。スイッチ２１０のラッチ動作は、スイッチ２１０が停電に反応して状態（開状態又は閉状態に関わらず）を変更しないことを確実にする。したがって、停電時にスイッチ２１０が閉じていて電流を搬送している場合、スイッチ２１０は閉じたままになる。これに対して、非ラッチ式の常開ソレノイド駆動スイッチが使用される場合、停電中の電力の損失によって、ソレノイドへの電流が失われて、スイッチを常開状態に戻し、ＨＴＳリード２０６及び／又は電気回路内の他の構成要素をダメージする可能性のある電気アークにつながる可能性がある。
【0046】
[0049] 逆に、非ラッチ式の常閉ソレノイド駆動スイッチが使用される場合、停電中の電力の損失によってスイッチが閉じて望ましくない短絡がもたらされる可能性がある。一方、ラッチ式スイッチ２１０は、磁石制御電子機器２２０によってラッチ式スイッチ２１０に、ラッチ式スイッチ２１０の状態を切り替える（開状態から閉状態へ又は閉状態から開状態へのいずれか）電気パルスが送られない限り及び送られるまでそれらの現在の状態（開状態又は閉状態のいずれか）を保持する。制御ソフトウェアは、ラッチ式スイッチ２１０が電流を搬送しているときに開くことができないことを適切に確実にする。例えば磁石制御電子機器２２０は、ラッチ式スイッチ２１０に／から流れる回路内の電流を測定する電流計を含んでもよく、測定された電流がゼロである場合にのみ、ラッチ式スイッチ２１０のラッチ状態を切り替えるための電気パルスを送る。
【0047】
[0050] 本発明の別の実施形態では、信号を処理し、ＨＴＳ保護回路を開閉するためのコマンドを送信するためのソフトウェアが提供されている。さらに、磁石コントローラの制御は、ＭＲスキャナのオンサイトで、又はネットワーク（例えばインターネット、クラウド、リモートサーバー、サービスプロバイダなど）を介して１つのＭＲスキャナに通信可能に結合されたコンピュータからリモートで行うことができる。
【0048】
[0051] 図３は、別の態様による医用イメージングデバイス（例えば図１のＭＲＩ装置１００）の超電導磁石３００のより詳細な実施形態を示している。図２と図３との両方に共通する構成要素は、図間で「類似」の参照文字を含み、したがって、これらの共通の構成要素の説明は簡潔さのために繰り返さないことが理解されるであろう。図３に示すように、超電導磁石３００は、超電導コイル２０４と、少量の極低温液体（例えばヘリウム）が含まれている閉鎖型冷却システム３０２とが含まれている真空容器であるクライオスタット２０２を含む。コンプレッサ（図示せず）によって駆動されるコールドヘッド３０４は、閉鎖型冷却システム３０２内のヘリウムを約４Ｋ以下に冷却するように動作する。例示するコールドヘッド３０４は、第１のコールドステーションＣＳ１と第２のコールドステーションＣＳ２とを有する２段コールドヘッドであり、第２のコールドステーションＣＳ２（例えば約４Ｋ以下）は、第１のコールドステーションＣＳ１（例えば通常数十ケルビン）よりも低温である。少なくとも１つの電気超電導コイル２０４は、クライオスタット２０２内に配設され、約４Ｋ以下の極低温に冷却されるように閉鎖型冷却システム３０２との熱接触し、電流が通過するときに磁場を生成する。
【0049】
[0052] 図３はまた、ＭＲＩ装置１００内のリードのクエンチを防ぐための装置も示している。この装置は、少なくとも１つのＨＴＳリード２０６、２０６’（例えば第１のＨＴＳリード２０６、第２のＨＴＳリード２０６’）と、図３では第１のＨＴＳリード２０６をモニタリングする少なくとも１つの電圧センサ３２２、第２のＨＴＳリード２０６’をモニタリングする少なくとも１つの電圧センサ３２２’、第１のＨＴＳリード２０６をモニタリングする少なくとも１つの温度センサ３２４、及び第２のＨＴＳリード２０６’をモニタリングする少なくとも１つの温度センサ３２４’として別々に示されている図２の電圧及び温度センサ２２２と、ＨＴＳ保護スイッチ２０８と、磁石制御電子機器２２０とを含む。さまざまなセンサ３２２、３２２’、３２４、３２４’の電子機器２２０への信号接続は、図３では破線で示されている。これらの信号接続は、有線又は無線接続として物理的に実装されてもよい。少なくとも１つのＨＴＳリード２０６、２０６’はクライオスタット２０２内に配設され、少なくとも１つの電気超電導コイル２０４に結合されている。図３に示すように、第１のＨＴＳリード２０６は、少なくとも１つの電気超電導コイル２０４の第１の「上部」端に配設され、第２のＨＴＳリード２０６’は、少なくとも１つの電気超電導コイルの第２の「下部」端に配設されている。
【0050】
[0053] 各ＨＴＳリード２０６、２０６’には、金属導体（例えば銅、アルミニウム、その合金など）とガルバニック接続している、Ｅ１と示される第１の端と、超電導巻線２０４の端子とガルバニック接続している、Ｅ２と示される反対側の第２の端とを有する。一般的に、第２の端Ｅ２は、超電導巻線２０４の動作温度にある又はその付近、つまり、約４Ｋ以下の温度にある。これに対して、第１の端Ｅ１は、大幅に高い温度、例えば詳細な設定に応じて数十ケルビン～約７０Ｋ～８０Ｋにある。適切なアプローチでは、コールドヘッド３０４の第１のコールドステーションＣＳ１は、第１の端Ｅ１又は対応するガルバニック接続された金属導体と熱的に接続され、第１の端Ｅ１を所望の温度に維持するのを助ける。なお、図３では、コールドステーションＣＳ１との熱接続は示されていない。国際特許公開ＷＯ２０１７／１７８５６０に説明されているような一般的な配置では、熱シールド（図示せず）が冷たい閉鎖型冷却システム３０２及び超電導巻線２０４を囲み、第１のコールドステーションＣＳ１と接触して、熱シールドを約１００Ｋ以下の温度に維持する。また、熱シールドは、第１の端Ｅ１とコールドステーションＣＳ１との間の熱経路（の少なくとも一部）を提供する。図３に示すように、第１のＨＴＳリード２０６の第１の端が保護スイッチ２０８に動作可能に接続され、第１のＨＴＳリード２０６の第２の端が少なくとも１つの超電導コイル３０４の１つの端子に動作可能に接続されている。第２のＨＴＳリード２０６’の第１の端Ｅ１が通電デバイス２１２／通電解除デバイス２１４に動作可能に接続され、第２のＨＴＳリード２０６’の第２の端Ｅ２が、少なくとも１つの超電導コイル３０４の別の端子に動作可能に接続されている。
【0051】
[0054] 少なくとも１つの電圧センサ３２２、３２２’は、少なくとも１つのＨＴＳリード３０６、３０６’の電圧を測定する。図３では、各電圧センサ３２２、３２２’は、それぞれのＨＴＳリード２０６、２０６’の両端の差動電圧を測定する差動電圧センサである。図３にさらに示すように、少なくとも１つの電圧センサ３２２、３２２’は、第１のＨＴＳリード２０６の両端の差動電圧を測定する第１の差動電圧センサ３２２と、第２のＨＴＳリード２０６’の両端の差動電圧を測定する第２の差動電圧センサ３２２’とを含む。例示的な各温度センサ３２４、３２４’は、それぞれのＨＴＳリード２０６、２０６’の第１の端Ｅ１の温度を測定する。上で説明したように、温度センサのこの位置は、各ＨＴＳリードの第１の端Ｅ１がＨＴＳリードの第２の端Ｅ２よりも高温になることが予想されるため選択されている。したがって、第１の端Ｅ１が超電導の臨界温度Ｔｃ未満である限り、ＨＴＳリード全体が臨界温度Ｔｃ未満であるということになる。
【0052】
[0055] 図３に示すように、保護スイッチ２０８はクライオスタット２０２の外側に配設されている。保護スイッチ２０８は、少なくとも１つのＨＴＳリード２０６、２０６’から電流を迂回させる。つまり、保護スイッチ２０８を開くと、通電デバイス２１２／通電解除デバイス２１４から少なくとも１つの超電導コイル２０４への電流経路が遮断される。
【0053】
[0056] 電子機器２２０は、遮断条件に応答して保護スイッチ２０８を制御して、電力回路を遮断する。切断条件には、少なくとも１つのＨＴＳリード２０６、２０６’の電圧が遮断閾値を超えていることを少なくとも電圧センサ３２２、３２２’が検出することが含まれ得る。これを行うためには、少なくとも１つの差動電圧センサ３２２、３２２’が少なくとも１つのＨＴＳリード２０６、２０６’の両端の差動電圧を測定するときに、電子機器２２０は、測定された差動電圧の大きさが所定の電圧閾値（例えば５０ｍＶ）を上回って増加しているかどうかを検出する。この状態が発生すると、電子機器２２０は、保護スイッチ２０８を開いて、少なくとも１つのＨＴＳリード２０６、２０６’からの電流を迂回させる。一例では、電子機器２２０は、ローパスフィルタによるフィルタリング後の差動電圧の大きさが所定の電圧閾値を上回る場合に、差動電圧の大きさが所定の電圧閾値を上回って増加したものとして検出する。別の例では、電子機器２２０は、差動電圧の大きさが所定の時間間隔の間、所定の電圧閾値を上回る場合に、差動電圧の大きさが所定の電圧閾値を上回って増加したものとして検出する。
【0054】
[0057] このようなアプローチにより、ノイズによってＨＴＳ保護スイッチ２０８がスローされ、超電導巻線２０４のクエンチにつながる可能性のある電力回路の不要な遮断の可能性が低減される。所定の時間間隔が使用される場合、ＨＴＳリード２０６、２０６’がジュール加熱によってダメージを受ける前に電流が確実に切断されるように十分に短い間隔を選択する必要がある。一般に、所定の時間間隔は１秒以下であることが考えられ、より好ましくは、１００ミリ秒以下である。ＨＴＳ保護スイッチ２０８を開く際の待ち時間や、ＨＴＳのタイプ、長さ、形状などの他の要因を考慮して所定の時間間隔を選択する必要がある。同様の考慮事項は、ノイズを除去するために使用されるローパスフィルタの時定数又は遷移挙動を選択する際にも適切であり、その応答時間は、ジュール加熱によるＨＴＳリードへのダメージを回避するのに十分な時間である必要がある。
【0055】
[0058] いくつかの例では、少なくとも１つの温度センサ３２４、３２４’が少なくとも１つのＨＴＳリード３０６、３０６’の温度を検出する。温度が閾値を超えた場合、電子機器３２２は保護スイッチ３０８を開いて、少なくとも１つのＨＴＳリード３０６、３０６’からの電流を迂回させることができる。しかしながら、前述のように、温度は、差動電圧と比較してクエンチの遅れ指標である傾向があるため、温度センサは、ＨＴＳ保護スイッチ２０８を開くためには使用しないこと（又は、少なくともこれの主なトリガとして依拠しないこと）がより好ましい。むしろ、いくつかの好ましい実施形態では、温度センサ３２４、３２４’は、一方又は両方の第１の端Ｅ１の温度がＨＴＳ超電導温度Ｔｃに近づき始めたときに、あまり積極的ではない修復処置をトリガするために使用される。例えば修復処置は、動作している通電デバイス２１２又は通電解除デバイス２１４の制御によって、ＨＴＳリード２０６、２０６’を流れる電流の大きさを低減することである。これにより、第１の端Ｅ１にガルバニック接続された金属導体のジュール加熱が低減し、また、通常は電流の振幅が増加すると低下するＨＴＳ超電導臨界温度Ｔｃが上昇する。
【0056】
[0059] 図４を参照して、磁石保護方法の例示的な実施形態が示されている。４００において、さまざまな保護センサ（例えばセンサ２２２、２３２、２３２’、２３４、２３４’）及び超電導巻線２０４の電流がモニタリングされる。４０２において、（例えば磁石巻線２０４の端子の両端に非ゼロの電圧が検出されることによって）磁石巻線２０４のクエンチが検出された場合、４０４において、電子機器２２０は、スイッチ２０８、２１０を閉じて（まだ閉じていない場合）、通電解除デバイス２１４を接続して、巻線２０４の永久電流を通電解除デバイス２１４に迂回させて、制御された磁石の遮断を実行する（クエンチがすでに進行中であるため、可能な限りの範囲まで。ただし、巻線２０４の銅マトリックスを含む巻線２０４の受動クエンチ保護回路が巻線のクエンチ中のコイルへのダメージに対する保護を提供する）。なお、この障害パスウェイは、巻線２０４が約４Ｋを上回って上昇することによってトリガされることに留意されたい。したがって、Ｔｃが数十ケルビンほどであるため、ＨＴＳリード２０６、２０６’のクエンチがトリガされる可能性はほとんどない。さらに、ＨＴＳ保護モニタリングではまた、任意選択で、温度センサ３２４、３２４’を用いて第１の端Ｅ１の上昇温度を検出し、前述のように、あまり積極的ではない修復を行うこともできる。これは図４には図示していない。
【0057】
[0060] 別の可能性のある障害状態（４１２に示される）では、一方又は両方のＨＴＳリード２０６、２０６’の初期クエンチが、例えば少なくとも１つ電圧センサ２２２、２２２’によって測定される少なくとも１つのＨＴＳリード２０６、２０６’の両端の電圧に基づいて検出される。この場合、４１２において、電子機器２２０は、測定された電圧（前述の差動電圧であってもよい）が対応する定義済み閾値の範囲外であるかどうかを決定する。そうである場合、４１４において、電子機器２２０は、測定された電圧が定義済み閾値の範囲外であるときにＨＴＳ保護スイッチ２０８を開くことによって少なくとも１つのＨＴＳリード２０６、２０６’を流れる電流を中断する。これは、前述のように、磁石巻線２０４のクエンチをもたらすが、本明細書では、巻線のクエンチは通常巻線のダメージをもたらさず、また、ＨＴＳリードの高価なダメージにつながる可能性が非常に高いＨＴＳリードの無制御ジュール加熱よりも好ましいことが認識されている。
【0058】
[0061] 別の可能性のある障害状態（４２２に示される）では、ラッチ式熱スイッチ２１０を切り替えるための呼び出しが生成される。このような呼び出しは、電子機器２２０によって自動的に生成されるか、ユーザによって手動で生成される。この場合、４２４において、ラッチ式熱スイッチ２１０を切り替えるための呼び出しが実行されるのは、ＨＴＳリード２０６、２０６’の電流の振幅がゼロの場合（又は、実装を簡素化するために、何らかの閾値を下回っている場合）だけである。これにより、電流を搬送しているときにスイッチ２１０が開いて、ダメージを与える電気アークが生成されないことが保証される。この障害修復パス４２２、４２４は、次の理由から、巻線クエンチ修復パス４０２、４０４、又はＨＴＳリードクエンチ修復パス４１２、４１４のいずれも干渉しないことに留意されたい。まず、ラッチ式スイッチ２１０が開状態にある場合、電流はゼロになり、したがって、修復パス４２２、４２４は、ラッチ式スイッチ２１０が開状態から閉状態に切り替わることを防ぐことはできない。次に、ラッチ式スイッチ２１０が閉状態にあり、４０２において巻線クエンチが検出された場合、動作４０４では、ラッチ式スイッチ２１０はすでに閉じているため、ラッチ式スイッチ２１０の切り替えを呼び出ししない。最後に、ラッチ式スイッチ２１０が閉状態にあり、４１２においてＨＴＳリードクエンチが検出された場合、修復動作は、ＨＴＳ保護スイッチ２０８を開くことであり、これはラッチ式スイッチ２１０を切り替えるための呼び出しを生成しない。
【0059】
[0062] 本開示は、好ましい実施形態を参照して説明されている。前の詳細な記述を読み、理解した者は、修正及び変更を想到するであろう。模範的な実施形態は、添付の特許請求の範囲又はその等価物の範囲内である限り、そのようなすべての修正及び変更を含むものと解釈されることを意図している。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】