CN102054555B - 超导磁体的制冷系统、制冷方法以及核磁共振成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种超导磁体的制冷系统，该制冷系统包括一闭环冷却路径。该闭环冷却路径包括一与超导磁体热耦合的冷却管、与冷却管通过连接管连通的冷凝器、与冷却管及冷凝器均连通的冷却液容器、以及至少一个与冷却管通过连通管连通的气体容器。
Description
技术领域
本发明有关一种超导磁体的制冷系统和制冷方法，以及一种包括超导磁体及其制冷系统的核磁共振成像系统。
背景技术
当超导磁体被冷却到合适的低温时，将其作为导体传输电流，其上的电阻为零，该合适的低温被称为超导磁体的“超导温度”。因此，需要为超导磁体提供冷却系统，以确保超导磁体工作在其超导温度之下。
一种传统的超导磁体制冷系统是把制冷头安装在超导磁体上。这种方法有若干缺陷，包括：制冷头可能将震动传递到超导磁体，以及可能在制冷头和超导磁体之间热传导通道形成温度梯度等等。
另一种传统制冷系统是在一个制冷池中装有大量的冷却液来制冷超导磁体。超导磁体的热量通过将冷却液从液态气化成气态的过程中被带走。在这一过程中，气化产生的气体通常散发到空气中，需要定期补充冷却液。一些超导磁体的制冷系统使用制冷机将气化的气体重新冷凝成为液态。然而，当制冷机因断电或处于系统维护期间而不能为制冷系统制冷时，或者当超导磁体发生意外短暂的失超时，超导磁体上储存的电磁能转化成热量，就有大量的制冷气体挥发到大气中流失掉。一旦制冷机重新开启，需要重新向制冷系统中添加冷却剂。因液氦等冷却剂价格昂贵，这种传统的制冷方法的制冷和维护成本都很高。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种超导磁体的制冷系统，该制冷系统包括一闭环冷却路径。该闭环冷却路径包括一与超导磁体热耦合的冷却管、与冷却管通过连接管连通的冷凝器、与冷却管及冷凝器均连通的冷却液容器、以及至少一个与冷却管通过连通管连通的气体容器。
本发明的另一个方面在于提供一种核磁共振成像系统，该核磁共振成像系统包括一超导磁体、一收容所述超导磁体的冷屏、以及一闭环冷却路径。该闭环冷却路径包括一与超导磁体热耦合的冷却管、一与冷却管通过连接管连通的冷凝器、一与冷却管及冷凝器均连通的冷却液容器、以及至少一个与冷却管通过连通管连通的气体容器。其中所述冷却管内有冷却剂通道，冷凝器与一制冷机相连，而所述气体容器与冷屏热耦合。
本发明的又一个方面在于提供一种超导磁体的制冷方法，该制冷方法包括将一冷却管与超导磁体热耦合；液体冷却剂流经至少所述冷却管的一部分；通过将液体冷却剂气化成气体冷却剂的气化过程吸收超导磁体的热量，气化的气体冷却剂的一部分与一冷凝器接触进行热交换，而将该气体冷却剂冷凝成液体冷却剂，并使该液体冷却剂流回冷却管；以及将气化的气体冷却剂一部分储存在一与冷却管连通的气体容器内。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1所示为依据本发明一个实施方式的超导磁体冷却系统的示意图；
图2所示为依据本发明一个实施方式一个核磁共振成像系统的示意图，该核磁共振成像系统包括图1所示的冷却系统。
具体实施方式
本发明的若干个实施方式有关一种超导磁体的制冷系统。该制冷系统包含至少一个闭环冷却路径，该闭环冷却路径包含至少一个与超导磁体热耦合的冷却管、一个通过连接管与冷却管相连通且与一制冷机热耦合的冷凝器、至少一个位于冷凝器和冷却管之间且与冷凝器和冷却管均连通的冷却液容器、以及至少一个与冷却管通过连通管连通的气体容器。冷却剂在该闭环的冷却路径内流动，该冷却剂包括至少流经冷却管一部分的液体冷却剂，以及由液体冷却剂吸收热量气化而成的气体冷却剂。
图1所示为本发明超导磁体111的冷却系统110，该图示仅为辅助说明本发明内容的示意图，而非按照实际冷却系统的真实比例绘制。图示的冷却系统110包括一个闭环的冷却路径，液体冷却剂和气体冷却剂(统称“冷却剂”)在该闭环的冷却路径中流动。图示实施方式中的闭环的冷却路径包括与超导磁体111热耦合的冷却管112、一个在正常冷却工作中存储液体冷却剂并向冷却管传输液体冷却剂的冷却液容器114、一个将冷却管112中气体的气体冷却剂冷凝成液体冷却剂并流至冷却液容器114中的冷凝器116、以及至少一个气体容器118。在冷却系统110的正常冷却过程短暂中止(以下简称“ride-through”情形)，比如当制冷机126停止制冷或者当超导磁体111发生意外失超情况，该气体容器118容纳气体冷却剂。
在图示的实施方式中，冷却管112大致呈环形，包括一个冷却剂通道113以及第一、第二开口。在正常冷却工作中，冷却系统110通过冷却管112中液体冷却剂吸收热量而气化成气体冷却剂，从而带走超导磁体111的热量，使得超导磁体111被保持在其超导温度以下。在一些实施方式中，在闭环冷却路径中流通的冷却剂可以是氮、氖、氢、氦或者任意两种或者多种混合的气体、液体或气、液混合体，以及其他能够从超导磁体带走足够热量的冷却剂。
在图示的实施方式中，冷凝器116与一制冷机126热耦合，该制冷机126将冷凝器116冷却到足够的温度，比如大约2开(开氏温度)到大约4开，从而该冷凝器116可以将气体冷却剂冷却成液体冷却剂。该冷凝器116有一个与气体冷却剂接触的热交换表面，以将气体冷却剂冷却成液态(液体冷却剂)。在一些实施方式中，该冷凝器116由热传导性好的铜、铝等材料制成。
在图示的实施方式中，冷凝器116与冷却管112上的第一开口120通过一位于冷凝器116和冷却液容器114之间的第一连接管122，和一位于冷却液容器114与冷却管112之间的第二连接管124。从而，气体冷却剂从冷却管112的第一开口120，经第二连接管124，流至冷却液容器114，再进一步经第一连接管122流至冷凝器116。作为另一种可供选择的实施方式，冷凝器116直接通过一连接管与冷却管112连接而不经过冷却液容器114。
在图示的实施方式中，冷凝器116与冷却液容器114经一第三连接管128连通，以将液体冷却剂从冷凝器116传送至冷却液容器114。在图示的实施方式中，冷凝器116位于冷却液容器114上方，从而，液体冷却剂在重力作用下流到冷却液容器114。在一些实施方式中，气体冷却剂也可以经第三连接管128流到冷凝器116，而液体冷却剂也可以流经第二连接管。从而在冷却管112内流通的冷却剂是液体冷却剂和气体冷却剂的混合。
在所示的实施方式中，冷却液容器114位于冷却管112上方，且冷却液容器114通过一第四连接管129与冷却管112的第二开口121连通。从而，液体冷却剂在重力作用下，从冷却液容器114经第二开口121流进冷却管112。在一些实施方式中，冷却液容器114是由不锈钢、铝或复合材料制成的。在一些实施方式中，制冷系统110包括两个或两个以上的冷却液容器114，用以容纳冷凝器116冷凝的液体冷却剂，并将液体冷却剂向冷却管112传送。
在一些实施方式，冷却管112沿超导磁体111的圆周方设置于超导磁体111表面上。在其他的实施方式中，冷却管112可以沿超导磁体111的纵长方向设置于超导磁体111的表面。在一些实施方式中，冷却系统110包括设置于超导磁体表面上的两个或两个以上的冷却管112。作为一种实施方式，冷却管112与超导磁体111的超导线圈通过一电绝缘层热耦合，从而该冷却管112透过该电绝缘层直接冷却超导线圈。在其他实施方式中，冷却管112与超导磁体111上超导线圈之外的其他结构，如支撑结构或冷却元件热耦合，从而，超导线圈上的热经过该超导磁体111上的其他结构传导至冷却管112，并被冷却管112内液体冷却剂气化成气体冷却剂的相变过程带走。在一些实施方式中，冷却管112由不锈钢、铝、铜或黄铜等材料制成。
在图示的实施方式中，至少一个气体容器118通过一个连通管130与冷却管112的冷却剂通道113连通。在一些实施方式中，气体容器118由不锈钢、铝、铜、黄铜或复合材料制成。在图示的实施方式中，冷却系统110包括若干个气体容器118，该若干个气体容器118经过连接管133连通。该若干个气体容器118与冷却管112经过一连通管130连通，用以容纳气化的气体冷却剂。在图示的实施方式中，连通管130的上部与冷凝器116和冷却管112之间的第一连接管124连通。在另一个可供选择的实施方式中，气体容器118可以直接与冷却管112连通而不经过冷却液容器114。在其他实施方式中，冷却系统110包括干个连通管，每一个连通管将相应的气体容器118与冷却管112相连通。在图示的实施方式中，气体容器118低于冷却管112。在其他实施方式中，气体容器118可以在冷却管112上部。
在一些实施方式中，冷却系统110包括一个冷屏132，用以将超导磁体111与周围环境温度隔离开来。冷屏132可以由导热材料比如铜、铝等制成。在图示的实施方式中，气体容器118分布在冷屏132的内表面，并与冷屏132热耦合。在一些实施方式中，冷屏132形成一个可将超导磁体111保持在大约40开到大约80开的温度范围的热辐射屏蔽。在其他实施方式中，气体容器118可以被设置在冷屏132的外表面上。
在一些实施方式中，冷却系统110包括一防止液体冷却剂流入气体容器118的阻隔装置。在图示的实施方式中，该阻隔装置为一位于连通管130上部的“n”形连接管。
在图示的实施方式中，制冷系统110进一步包括一入口部134，在正常冷却过程开始之前，制冷系统110首先将超导磁体111从一较高温度例如室温冷却至超导温度，即初始冷却过程，气体冷却剂或液体冷却剂被从该入口部134引入制冷系统110的闭环冷却路径。在一些实施方式中，该入口部134也被用于在正常冷却过程中向该闭环冷却路径补充冷却剂。
在一些实施方式中，在所述初始冷却过程中，气体冷却剂持续的从入口部134注入该闭环冷却路径中，被冷凝器116冷凝成液体冷却剂，液体冷却剂流入并流经冷却管112，从而将超导磁体111的热带走。在一些实施方式中，从入口部134注入的气体冷却剂是高压气体冷却剂，该高压气体冷却剂可以由高压储气罐注入或通过压力泵注入该闭环冷却路径中。冷却剂的气压随着超导磁体111的温度降低而降低，当超导磁体111达到超导温度(比如4开)，冷却系统110开始正常冷却过程。
在一些实施方式中，当冷却系统110在ride-through过程中，比如当制冷机126停止制冷或者当超导磁体111发生意外失超情况，导致冷凝机116不能提供有效的冷却，不能将足够的气体冷却剂冷凝成液体冷却剂，从而不能保证正常的制冷过程的进行，闭环冷却路径中的温度升高，气体冷却剂存储在气体容器118中。在一个实施方式中，当所有的液体冷却剂都气化成气体冷却剂时，该若干个气体容器118的容积足够容纳所有气体冷却剂，且其中的气压低于该冷却剂的“超临界气压”。所谓冷却剂的超临界气压即，当气压高于该超临界气压时，不再发生冷却剂的气化，即冷却剂不再存在液态到气态的相变，从而不能通过气化热吸收超导磁体的热量，超导磁体将不能保持在稳定的超导温度。该超临界气压大小取决于所选择的冷却剂。在一个实施方式中，在ride-through过程中，在闭环冷却路径中的气压达到超临界气压之前，所有的液体冷却剂都已气化成气体冷却剂，从而所有的液体冷却剂都被充分用于制冷。对于闭环冷却路径中的一定数量的冷却剂，该闭环冷却路径的容量取决于热动态状态，比如在所有液体冷却剂都气化成气体冷却剂时的气压和温度等。
在一些实施方式中，该闭环冷却路径在其中温度达到室温时仍保持封闭。为承受其中的气压，该制冷系统的机械强度需要足够大，根据理想气体方程：PV＝nRT
其中“P”是冷却剂的超临界气压；“V”是气体冷却剂的容积，即该闭环冷却路径的容积；“n”是该闭环冷却路径中冷却剂的量；“R”是气体常数，即8.314472摩尔热容标准值(JK-1mol-1)；“T”是该制冷系统升温到室温时的绝对温度。
在图示的实施方式中，该制冷系统还包括一出口部，当该闭环冷却路径内的气压达到某一设定值时，制冷系统通过该出口部释放气体。在图示的实施方式中，所述入口部134也是该闭环冷却路径的出口部。在一些实施方式中，制冷系统110包括位于一个控制出口部开关的压力阀以确保制冷系统110的安全运行。在一些实施方式中，制冷系统110包括一控制器，用来控制制冷系统110的气压、温度等。
参照图2所示，制冷系统110被应用于一核磁共振成像系统10(“MR系统10”)中。在图示的实施方式中，该MR系统的操作由操作员控制台12进行控制，该控制台包括键盘或者其他输入设备13、控制面板14和显示屏16。该控制台12通过链路18与单独的计算机系统20进行通信，使操作员能够控制显示屏16上图像的生成和显示。该计算机系统20包括多个模块，它们之间通过底板20a进行通信。这些包括图像处理器模块22、CPU模块24和本领域已知的作为用来存储图像数据阵列的桢缓冲器的存储模块26。该计算机系统20与磁盘存储器28和磁带驱动器30相连，用于存储图像数据和程序，并通过高速串行链路34与单独的系统控制32进行通信。该输入设备13可包括鼠标、操纵杆、键盘、跟踪球、触摸屏、光棒、声控，或者任何类似或等效的输入设备，并可用于交互式结构指令。
该系统控制32包括一组与背板32a连接在一起的模块。这些包括CPU模块36和脉冲发生器模块38，该脉冲发生器模块通过串行链路40与该操作员控制台12相连。通过链路40，该系统控制32接受来自操作员的命令，并指示要执行的扫描序列。该脉冲发生器模块38操作该系统部件执行所希望的扫描序列，并生成数据，其表示生成的射频脉冲的时刻、强度和形状、以及数据采集窗口的时刻和长度。
该脉冲发生器模块38与一组梯度放大器42相连，以指示在扫描过程中生成的梯度脉冲的时刻和形状。该脉冲发生器模块38还能够接收来自生理采集控制器44的病人数据，该生理采集控制器接收来自与病人相连的多个不同的传感器的信号，比如来自与病人接触的电极的ECG信号。最后，该脉冲发生器模块38连接至扫描室接口电路46，其接收与病人状况以及该磁体系统相关的不同传感器的信号。还通过扫描室接口电路46，病人定位系统48接收命令，将病人移到所希望的扫描位置。
由该脉冲发生器模块38生成的梯度波形提供给具有Gx，Gy和Gz放大器的梯度放大器系统42。每个梯度放大器激励相应的通常设计成梯度线圈组件52内的物理梯度线圈，以生成磁场梯度，用于对采集的信号进行局部编码。该梯度线圈组件52构成磁体组件50的一部分，该磁体组件50包括极化磁体54和整体射频线圈56。系统控制32中的收发模块58产生脉冲，该脉冲由射频放大器60放大，并通过发射/接收开关62连接至射频线圈56。由病人体内受激发的核发出的结果信号可被同一个射频线圈56检测到，并通过该发射/接收开关62连接至前置放大器64。经过放大的MR信号在收发机58的接收机部分被解调，滤波和数字化。该发射/接收开关62由来自脉冲发生器模块38的信号控制，以在发射模式期间将射频放大器60电连接至线圈56，以及在接收模式期间将该前置放大器64连接至线圈56。该发射/接收开关62还能使单独的射频线圈(比如表面线圈)用于该发射或者接收模式。
由该射频线圈56获取的MR信号通过收发模块58进行数字化，并传送给系统控制32中的存储器模块66。当在存储器模块66中采集了一个原始K空间(Space)数据矩阵时，扫描结束。这个原始K空间数据为每个要重构的图像重新排列成各自的K空间数据阵列，这些阵列的每个都被输入到阵列处理器68中，其对这些数据执行傅立叶交换，成为图像数据阵列。这个图像数据通过串行链路34传送给计算机系统20，在那里它被保存在存储器中，比如磁盘存储器28中。作为对来自操作员控制台12的命令的响应，这个图像数据可能被存档在长期存储器中，比如存储在磁带驱动器30中，或者它可进一步被图像处理器22处理并传送给操作员控制台12，显示在显示器16上。
在图示的实施方式中，磁体组件50还包括一个真空容器72，该真空容器72有一容纳病人或者受检测体的孔74。
在图示的实施方式中冷屏132位于真空容器72内。超导磁体111由机械结构(未图示)未撑而置于冷屏132内。作为一个实施方式，超导磁体111包括一个圆筒形的轴76、以及若干个绕在该轴76外表面的若干个超导线圈78。在一些实施方式中，轴76可能是由电绝缘材料，如塑料等制成。超导线圈78可以由超导线如以铌钛(NbTi)、钒三锡(Nb3Sn)等超导线制成。
在图示的实施方式中的，制冷系统110的入口部134通过低温真空容器的72和冷屏132，用以将冷却剂从该入口部134填充进制冷路径。作为一个实施方式，入口部134同时也是在冷却路径内气压过高时释放气体冷却剂出口部。制冷机126被放置于低温真空容器72外表面的上部，冷凝器116自该制冷机126延伸到冷屏132内。为简略视图，图2中省略了冷路路径中的冷却液容器114和连接管等结构。气体容器118与冷屏132的内表面热接触，若干个气体容器118彼此连通，并通过连通管130与冷却管112连通。在气体容器118的容积被设计成足够大，在冷却路径内所有的液体冷却剂都气化成气体冷却剂时，其中的气压不超过该冷却剂的超临界压力，气体容器118可以容纳所有气化成的气体冷却剂。从而，在ride-through发生时，所有液体冷却剂都被充分利用于冷却，使超导磁体111和可以承受更长的ride-through时间。
在其他的实施方式中，所述制冷系统还可以用于很多其他应用领域中超导磁体的制冷，比如发电机或电动机的转子所用超导磁体、以及磁悬浮交通设备内的超导磁体等。
虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
Claims (13)
1.一种超导磁体的制冷系统，包括一闭环冷却路径，该闭环冷却路径包括：
一与超导磁体热耦合的冷却管，该冷却管内设有一冷却剂通道；
一与冷却管通过连接管连通的冷凝器；
一与冷却管及冷凝器均连通的冷却液容器；以及
至少一个与冷却管经连通管连通的气体容器。
2.如权利要求1所述的超导磁体的制冷系统，其中冷却液容器位于冷凝器之下。
3.如权利要求1所述的超导磁体的制冷系统，其中冷却液容器位于冷却管之上。
4.如权利要求1所述的超导磁体的制冷系统，其中冷却管位于超导磁体的表面。
5.如权利要求1所述的超导磁体的制冷系统，其中冷却管的材料为不锈钢、铜、黄铜或铝。
6.如权利要求1所述的超导磁体的制冷系统，其中所述闭环冷却路径包括若干个相互连通的气体容器。
7.如权利要求1至6中任何一项所述的超导磁体的制冷系统，其中该制冷系统进一步包括一冷屏，且所述气体容器与该冷屏热耦合。
8.一种核磁共振成像系统，包括：
一超导磁体；
一收容所述超导磁体的冷屏；以及
一闭环冷却路径，该闭环冷却路径包括：
一与超导磁体热耦合的冷却管，该冷却管内设有一冷却剂通道；
一与冷却管通过连接管连通的冷凝器，该冷凝器与一制冷机热耦合；
一与冷却管及冷凝器均连通的冷却液容器；以及
至少一个与冷却管通过连通管连通的气体容器，该气体容器与冷屏热耦合。
9.如权利要求8所述的核磁共振成像系统，其中该核磁共振成像系统进一步包括一收容所述冷屏的真容容器。
10.如权利要求8所述的核磁共振成像系统，其中该核磁共振成像系统进一步包括磁体组件，该磁体组件包括梯度线圈组件、极化磁体和整体射频线圈。
11.如权利要求8至10中任何一项所述的核磁共振成像系统，其中气体容器设置于冷屏的内表面或者外表面。
12.一种超导磁体的制冷方法，包括：
将一冷却管与超导磁体热耦合；
使一液体冷却剂流经至少所述冷却管的一部分；
通过将液体冷却剂气化成气体冷却剂的气化过程吸收超导磁体的热量；
气化的气体冷却剂的一部分与一冷凝器接触进行热交换，而将该气体冷却剂冷凝成液体冷却剂，并使该液体冷却剂流回冷却管；以及
将气化的气体冷却剂的一部分储存在一与冷却管连通的气体容器内。
13.如权利要求12所述的制冷方法，其中，在所有液体冷却剂都气化成气体冷却剂时，气体容器能足够容纳气体冷却剂，且其中的气压不高于该冷却剂的超临界气压。
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