【発明の詳細な説明】 【０００１】 【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Ｐ
ＴＲ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。 【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Ｐ
ＴＲ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（Ｐ
ＴＲ）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１
４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、ＰＴ
Ｒ１２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４
０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４
０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４
２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ＰＴＲ１
２へ流体を選択的に放出させる。 好ましくは、圧力弁４
４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４
６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５
０'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４
６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、Ｐ
ＴＲ１２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７
０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ＰＴＲ１
２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Ｐ
ＴＲ１２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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl. ⁷識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｒ 33/3815 Ｇ０１Ｎ 24/06 ５１０Ｃ (72)発明者 フィリップ・ウィリアム・エッケルズ アメリカ合衆国、サウス・カロライナ州、 フローレンス、エベニーザー・チェイス・ ドライブ、3322番Ｆターム(参考） 4C096 AA18 AA20 AB50 CA02 CA54 EA06 FA12 FB10 FC20