CN102097197A

CN102097197A - 置换器和超导磁体

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Publication number: CN102097197A
Application number: CN2010105855258A
Authority: CN
Inventors: G·奇特弗; W·L·埃恩齐格; Y·利沃夫斯基
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: US20110136671A1; US8793991B2; CN102097197B

Abstract

用于调节低温恒温器中的液体冷冻剂的液位的置换器(128)包括至少部分限定密封腔(146)的可展开构件。该可展开构件配置成从该密封腔(146)具有较小体积的折叠状态变化到该密封腔(146)具有较大体积的展开状态。该置换器(128)包括附连到可展开构件的第一端的第一端件(134)和附连到可展开构件的第二端的第二端件(136)。本发明还公开了一种超导磁体。

Description

置换器和超导磁体

技术领域

本公开大体上涉及超导磁体并且特别地涉及用于调节在低温恒温器(cryostat)内的液体冷冻剂的液位(level)的置换器(displacer)。

背景技术

典型地，例如在磁共振成像系统中使用的那些等超导磁体在生产设备处用液氦完全填充。在用液氦填充后，该超导磁体爬升并且被测试以确保它根据它的技术规范执行。然后该磁体运送到它将被安装的成像地点。

液氦对于非常低的温度应用很好地作为冷却剂工作，但它具有低沸点。一旦磁体已经安装，利用具有压缩机的冷头(coldhead)以保持液氦由于蒸发引起的损耗为最小。该冷头和压缩机要求电力供应以便起作用。典型地，当超导磁体正被运送时，足够的电力供应是不可获得的。因此，在长时间运输期间，磁体可能损失可观百分比的用作冷却剂的液氦。例如，一个常规设计使用大约2000升液氦并且从超导磁体离开工厂的时间直到它安装的这期间，损失多达1000升液氦是常见的。

为了避免损伤磁体，在安装地点在超导磁体爬升到它的工作高度(operational level)之前用液氦完全填充超导磁体是必须的。液氦是昂贵的并且添加液氦以补偿在运送期间引起的损耗的过程向超导磁体的安装过程增加额外的时间和成本。因此，需要有更高效并且较廉价的方式来管理在超导磁体中的液氦液位。

发明内容

在实施例中，用于调节在低温恒温器中的液体冷冻剂的液位的置换器包括外壳和设置在该外壳内的内波纹管。该内波纹管配置成从折叠状态变化到展开状态。该置换器包括附连到内波纹管的第一端的第一端件，该第一端件配置成当内波纹管从折叠状态变化到展开状态时相对于外壳移动。该置换器包括附连到内波纹管的第二端的第二端件和附连到外壳和第一端件与内波纹管中的至少其中之一的外波纹管。

在另一个实施例中，用于调节在低温恒温器内的液体冷冻剂的液位的置换器包括至少部分限定密封腔的可展开构件。该可展开构件配置成从密封腔具有较小体积的折叠状态转变到密封腔具有较大体积的展开状态。该置换器包括附连到可展开构件的第一端的第一端件和附连到可展开构件的第二端的第二端件。

在另一个实施例中，超导磁体包括设置在患者膛周围的主线圈。该主线圈配置成产生静态磁场。该超导磁体包括环绕该主线圈的低温恒温器。该低温恒温器配置成包含液体冷冻剂。该超导磁体还包括设置在该低温恒温器内的置换器。该置换器配置成从折叠状态变化到展开状态以便调节该液体冷冻剂的液位。

将通过附图和其的详细说明使本发明的各种其他特征、目标和优势对于本领域内技术人员明显。

附图说明

图1是根据实施例的示范性磁共振成像(MRI)系统的示意框图；

图2是根据实施例的圆柱形超导磁体的示意剖视图；

图3是根据实施例的置换器的示意剖视图；

图4是根据实施例的置换器的示意剖视图；

图5是根据实施例的波纹管的外视图的图示；

图6是根据实施例的置换器的示意剖视图；以及

图7是根据实施例的置换器的示意剖视图。

具体实施方式

在下列详细说明中，参考形成本文的一部分的附图，并且其中通过图示可实践的特定实施例示出。这些实施例充分详细地描述以使本领域内技术人员能够实践该实施例，并且要理解可利用其他实施例并且可做出逻辑、机械、电和其他变化而不偏离该实施例的范围。下列详细说明因此不看作限制本发明的范围。

图1是根据实施例的示范性磁共振成像(MRI)系统的示意框图。MRI系统10的运行从包括键盘或其他输入装置13、控制面板14和显示器16的操作员控制台12控制。控制台12通过链路18与计算机系统20通信并且向操作员提供界面以规定MRI扫描、显示合成图像、对图像执行图像处理并且将数据和图像存档。计算机系统20包括通过电和/或数据连接(例如通过使用背面板20a提供的)互相通信的许多模块。数据连接可以是直接有线链路或可以是光纤连接或无线通信链路或类似物。计算机系统20的模块包括图像处理器模块22、CPU模块24和存储器模块26(其可包括用于存储图像数据阵列的帧缓冲器)。在备选实施例中，图像处理器模块22可由在CPU模块24上的图像处理功能性代替。该计算机系统20链接到存档介质装置、永久或备份存储器储存装置或网络。计算机系统20还可通过链路34与单独的系统控制计算机32通信。输入装置13可以包括鼠标、操纵杆、键盘、轨迹球、触摸激活屏、光笔、语音控制或任何相似或等同输入装置，并且可用于交互式几何指示(geometry prescription)。

系统控制计算机32包括通过电和/或数据连接32a互相通信的一组模块。数据连接32a可以是直接有线链路或可以是光纤连接或无线通信链路或类似物。在备选实施例中，计算机系统20和系统控制计算机32的模块可在相同的计算机系统或多个计算机系统上实现。系统控制计算机32的模块包括CPU模块36和脉冲发生器模块38，其通过通信链路40连接到操作员控制台12。该脉冲发生器模块38可备选地集成进入扫描设备(例如，共振组件(resonance assembly)52)。系统控制计算机32通过链路40接收来自操作员的命令以指示要执行的扫描序列。该脉冲发生器模块38通过发送描述要产生的脉冲序列和RF脉冲的定时、强度和形状以及数据采集窗口的定时和长度的指令、命令和/或请求来操作进行(即，执行)期望的脉冲序列的系统部件。该脉冲发生器模块38连接到梯度放大器系统42并且产生叫做梯度波形的数据，其控制要在扫描期间使用的梯度脉冲的定时和形状。该脉冲发生器模块38还可接收来自生理采集控制器44的患者数据，该控制器44接收来自连接到患者的许多不同传感器的信号，例如来自附连到患者的电极的ECG信号等。该脉冲发生器模块38连接到扫描室接口电路46，其接收来自与患者和磁体系统的状况关联的各种传感器的信号。患者定位系统48也通过该扫描室接口电路46接收命令以移动患者台到扫描的期望位置。

由脉冲发生器模块38产生的梯度波形应用于梯度放大器系统42，其由G_x、G_y和G_z放大器构成。每个梯度放大器激励在一般指定50的梯度线圈组件中的对应物理梯度线圈以产生用于空间编码采集的信号的磁场梯度脉冲。该梯度线圈组件50形成共振组件52的一部分，其包括具有超导主线圈54的超导磁体。该超导磁体将在下文中详细论述。共振组件52可包括全体RF线圈(Whole-Body RF coil)56、表面或并行成像线圈76或两者都包括。RF线圈组件的线圈56、76可配置用于传送和接收两者或用于仅传送或仅接收。患者或成像对象70可安置在共振组件52的圆柱形患者成像体积72内。在系统控制计算机32中的收发器模块58产生由RF放大器60放大并且通过传送/接收开关62耦合于RF线圈56、76的脉冲。由在患者中的受激核发射的所得信号可由相同RF线圈56感测并且通过传送/接收开关62耦合于前置放大器64。备选地，由受激核发射的信号可由例如并行线圈或表面线圈76等单独的接收线圈感测。放大的MR信号在收发器58的接收部分中解调、滤波并且数字化。传送/接收开关62由来自脉冲发射器模块38的信号控制以在传送模式期间电连接RF放大器60到RF线圈56并且在接收模式期间连接前置放大器64到RF线圈56。传送/接收开关62还可以使单独的RF线圈(例如，并行或表面线圈76)能够在传送或接收模式中使用。

由RF线圈56感测的MR信号由收发器模块58数字化并且传递到系统控制计算机32中的存储器模块66。典型地，对应于MR信号的数据帧暂时存储在存储器模块66中直到它们随后变换以形成图像。阵列处理器68使用已知变换方法(最常见地傅立叶变换)以从MR信号形成图像。这些图像通过链路34传送到计算机系统20，其中它存储在存储器中。响应于从操作员控制台12接收的命令，该图像数据可存档在长期存储装置中或它可由图像处理器22进一步处理并且输送到操作员控制台12并且在显示器16上显示。

图2是根据实施例的圆柱形超导磁体的示意剖视图。本领域内技术人员应该意识到超导磁体可根据其他实施例采用除圆柱形外的配置。超导磁体100与上文描述的图1的MRI系统或用于获得MR图像的任何相似或等同系统兼容。超导磁体100除其他元件外包括主线圈102、补偿线圈(bucking coil)104、有源匀场装置(active shim)106和无源匀场装置107。该主线圈102、补偿线圈104、有源匀场装置106和无源匀场装置107都环绕患者膛109，患者可在成像期间安置在该患者膛109。当用电流通电时，主线圈102用于产生MRI系统10(在图1中示出)的主磁场。补偿线圈104采用与主线圈102相反的方向上的电流来通电。补偿线圈104最小化杂散磁场对MRI系统10中其他电子设备的影响。多个有源匀场装置106放置在主线圈102和补偿线圈104之间。多个有源匀场装置106可用于对由主线圈102形成的场做出微小调节。主线圈102、补偿线圈104和有源匀场装置106都包含在用例如液氦等冷冻剂填充的低温恒温器108内。该低温恒温器108可根据实施例包括不锈钢容器。

为了获得超导磁体100的高效运行，保持主线圈102和补偿线圈104非常冷(例如10开或更低等)是必须的。超导磁体100包括冷头110，其包括压缩机。该冷头110再压缩气态氦回到液态以便在超导磁体100运行期间保持液氦液位恒定。超导磁体100包括环绕低温恒温器的热屏蔽112和真空容器114以便帮助使低温恒温器108与由MRI系统10(在图1中示出)的剩余部分产生的热隔离。

如上文描述的，超导磁体100典型地在从制造商的设备运送之前用液氦填充。然而，因为在运送期间对于冷头110典型地没有足够的电力供应可用，液氦的可观部分可在磁体运输期间汽化。置换器116可放置在低温恒温器108内。置换器116可放置在主线圈102和补偿线圈104之间。根据实施例，置换器116可如在图2中示出的放置在磁体100的底部以确保置换器116甚至在超导磁体100已经由于汽化损失可观分数的液氦后仍覆盖有液氦。置换器116的细节将在下文中论述。超导磁体100还可包括液位探头118以检测低温恒温器108内液氦的液位。根据实施例，处理器(没有示出)可耦合于液位探头118和置换器116两者。液位探头可传送关于低温恒温器108内液氦的液位的信息到该处理器并且该处理器可控制置换器116以维持期望的液氦液位。置换器116根据在图2中示意表示的实施例描绘在超导磁体100的低温恒温器108内。然而，本领域内技术人员应该意识到根据其他实施例与置换器116相似的置换器也可适应于在不同的非零汽化超导磁体内使用。例如，置换器可在超导磁体中使用以补偿液体冷冻剂在正常运行期间发生的逐渐液位损失。根据其他实施例，置换器还可在除超导磁体外的装置中使用。可使用置换器的装置的示例包括基于RF空腔的加速器(RF cavity-based accelerator)、自由电子激光器和维持在持久低温所要求的任何其他设备或设施。置换器的使用可实现设备或设施在低温下的延长时间运行而不需要再填充液体冷冻剂。

图3是根据实施例的置换器128的示意剖视图。该置换器128与上文描述的图2的超导磁体100或与任何相似或等同的超导磁体兼容。该置换器128示出处于折叠状态中。该置换器128包括外壳130和可展开构件，例如内波纹管132等。该内波纹管132具有第一端131和第二端133。该置换器128还包括第一外波纹管138和第二外波纹管140。

图4是来自图3的置换器128处于展开状态的示意剖视图。共有的标号将用于指示在图3和图4中的相同的元件。

现在参照图3和图4，外壳130是开端圆柱形结构。根据实施例，外壳130可由例如不锈钢等金属构成。第一外波纹管138附连到外壳130的第一端142和第一端件134。为了该公开的目的，术语“波纹管”限定为包括易弯曲的和可展开的结构。例如，波纹管可包括由具有一系列褶或折叠的金属形成的一般管状结构。该褶允许波纹管以像手风琴的方式展开或收缩。根据另一个实施例，该波纹管可包括易弯曲材料。例如，该波纹管可根据实施例包括具有金属化涂层的双轴取向聚对苯二甲酸乙二醇酯膜。该金属化涂层也可由例如金或铝等金属构成。该金属化涂层还可根据其他实施例由合金构成。在波纹管包括易弯曲材料的实施例中，波纹管可以不具有一系列褶或折叠。关于波纹管的另外的细节将在下文公开。其他的实施例可具有除圆柱形外的形状的外壳。例如，外壳可以是任何的形状，只要从外壳到外波纹管存在适合的过渡即可。第二外波纹管140附连到外壳130的第二端144和第二端件136。尽管在图3和4中示出的实施例描绘第一端件134和第二端件136为大体上平坦的，其他实施例可包括不同形状的端件。第一端件134、第二端件136和内波纹管132形成密封腔146。该密封腔146设计成与液氦隔离，即使当置换器128放置在用液氦填充的低温恒温器中也如此。

置换器128还包括附连到第二端件136的电加热器148。该电加热器148放置在密封腔146内。控制线150从电加热器148伸展至开关组件152。根据实施例，密封腔146用一定体积的气体(例如氦等)填充。当开关组件152在“切断”位置时，没有电流流过电加热器148。相反地，当开关组件在“接通”位置时，电流流过电加热器148。其他实施例可具有附连到第一端件134或内波纹管132的加热器。

当置换器128处于折叠状态时，如在图3中，在密封腔146中的该体积的氦气处于相对低的温度和因此处于低压。然而，一旦开关组件152在“接通”位置中时，电流流过电加热器148。电加热器148包括随着电流施加而辐射热的电阻元件。电加热器148使在密封腔146中的该体积的氦气变暖，使得氦气的压强增加。该增加的压强在第一端件134和第二端件136上施加分离力。内波纹管132设计成展开，从而允许密封腔146占有更大体积。当内波纹管132展开时，第一外波纹管138和第二外波纹管140都收缩。当内波纹管132展开时，密封腔146从较小的体积配置转变到较大的体积配置。第一端件134向外壳的第一端142移动，并且第二端件136向外壳的第二端144移动。根据实施例，第一端件134移动直到它通过第一组挡件160，并且第二端件136移动直到它通过第二组挡件162。第一组挡件160和第二组挡件162可每个包括多个弹簧构件，其适于阻止端件(160，162)朝它们的折叠位置返回。一旦端件(134、136)已经由挡件(160、162)接合，不必维持到加热器148的电流以保持内波纹管132处于它的展开状态。实施例可具有对于第一端件134在离第一端142不同距离处和对于第二端件136在离第二端144不同距离处的多组挡件以便细调端件(134、136)的最终位置。

根据实施例，内波纹管132、第一外波纹管138和第二外波纹管140可都共有相似的结构。例如，垂直于展开方向获取的横截面可是大体上圆形的。其他实施例可使用具有不同的横截面形状的波纹管。本领域内技术人员将意识到当确定横截面形状可行性时考虑金属的易弯曲性是必须的。例如，与例如矩形等具有硬拐角(hard corner)的横截面形状相反，制造具有大体上椭圆形横截面形状可是更容易的。

仍参照图3和4，当内波纹管132展开时，密封腔146从具有较小体积的形状转变到具有较大体积的形状。一旦密封腔146在体积上增加，第一端件134和第二端件136使置换器128也具有更大的总体积。当置换器128放置在用液体冷冻剂填充的低温恒温器108(在图2中示出的)中时，液体冷冻剂的液位可通过改变置换器128的总体积来控制。当置换器128处于展开状态时，如在图4中示出的，在超导磁体100(在图2中示出)中的液氦(在图2中示出)的液位将上升。从而，通过采用更多置换器130中的一个，维持超导磁体中液氦的适当液位而不必在安装地点添加液氦到磁体是可能的。根据实施例，液位探头118(在图2中示出)可用于检测低温恒温器108(在图2中示出)中液氦的液位。然后处理器(没有示出)可自动控制一个或多个置换器128以维持期望的液氦液位。根据另一个实施例，操作员可人工开动一个或多个置换器128以获得适当的液氦液位。

图5是根据实施例的波纹管164的外视图的图示。当垂直于纵轴166测量时该波纹管164在横截面上是圆形的。该波纹管包括多个褶168。该多个褶168中的每个由易弯曲材料构成，例如不锈钢等，其允许波纹管164沿着纵轴166展开和收缩。根据实施例，波纹管164可包括焊接或钎焊(braze)在一起的多块或段的金属片。例如，第一段170可焊接到第二段172以便形成褶中的一个。根据其他实施例，在超导磁体的低温中维持它们的强度和易弯曲性的其他联接方法也可用于构建波纹管。波纹管164具有由褶168的深度决定的最大直径174和最小直径176。

参照图4和图5两者，内波纹管132、第一外波纹管138和第二外波纹管140可都在结构上与在图5中示出的波纹管164相似。然而，根据实施例，内波纹管132可具有比第一外波纹管138和第二外波纹管140的外径更小的外径。根据其他实施例，内波纹管132、第一外波纹管138和第二外波纹管140可都具有相似的内径和外径。根据另一个实施例，置换器可包括具有恒定的内外尺寸的连续波纹管，其由第一端件和第二端件分割成内波纹管、第一外波纹管和第二外波纹管。其他实施例可仅包括内波纹管和第一外波纹管。根据这些实施例，置换器将仅在单个方向上展开。

图6是根据实施例的置换器的示意剖视图。置换器180与在图3和4中描述的置换器128共享许多组件。置换器128(图4中示出)和置换器180之间共有的特征将不详细描述。

置换器180包括附连到第二端件184的管道182。该管道连接到加压的气体源，例如氦气罐186。阀门188放置在管道182中以便控制氦气的移动。根据其他实施例，阀门188可更靠近氦气罐186放置。当阀门188打开时，来自氦气罐的氦填充置换器180的密封腔190。随着密封腔190中的压强增加，内波纹管192展开而第一外波纹管194和第二外波纹管196收缩。由氦气罐186向密封腔190供应的氦气的压强和体积决定密封腔190展开量，并且因此决定由置换器180置换的总体积。内波纹管192可展开直到第一端件185通过第一组挡件187并且第二端件184通过第二组挡件189。根据实施例，在内波纹管192展开到期望的尺寸并且第一端件185由第一组挡件187接合以及第二端件184由第二组挡件189接合后，气体可从密封腔190抽出。

图7是根据实施例的置换器的示意剖视图。置换器200与在图3和4中描述的置换器128共享许多部件。与置换器128(图3和4中示出)之间共有的特征将不详细描述。

置换器200包括设置在内波纹管204内的弹簧202。该弹簧202是螺旋弹簧，但也可使用例如板簧等其他类型的弹簧。当置换器处于它的低体积配置时，弹簧202压缩并且由开关(没有示出)保持在适当的位置。开关的起动使弹簧202在第一端件206和第二端件208上施加力，使内波纹管204展开并且使置换器200转变到它的更高体积配置。根据其他实施例，弹簧202可用马达和驱动机构代替。该驱动机构使来自马达的运动转换成推压端件并且使内波纹管展开的平移运动。

该书面说明使用示例以公开本发明的实施例，其包括最佳模式，并且还使本领域内技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何包含的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。

部件列表

Claims

1.一种用于调节低温恒温器(108)中的液体冷冻剂的液位的置换器(128)，包括：

外壳(130)；

设置在所述外壳(130)内的内波纹管(132)，所述内波纹管(132)配置成从折叠状态变化到展开状态；

附连到所述内波纹管(132)的第一端(131)的第一端件(134)，所述第一端件(134)配置成当所述内波纹管(132)从所述折叠状态变化到所述展开状态时相对于所述外壳(130)移动；

附连到所述内波纹管(132)的第二端(133)的第二端件(136)；以及

附连到所述外壳(130)且附连到所述第一端件(134)与所述内波纹管(132)至少其中之一的外波纹管(138)。

2.如权利要求1所述的置换器(128)，其中所述外壳(130)在形状上是圆柱形的。

3.如权利要求1所述的置换器(128)，进一步包括设置在所述内波纹管(132)内的弹簧(202)，其中所述弹簧(202)适于施加作用力以分开所述第一端件(134)与所述第二端件(136)。

4.如权利要求1所述的置换器(128)，其中所述第一端件(134)、所述第二端件(136)和所述内波纹管(132)限定密封腔(146)。

5.如权利要求4所述的置换器(128)，进一步包括设置在所述密封腔(146)内的一定体积的氦气。

6.如权利要求5所述的置换器(128)，进一步包括设置在所述密封腔(146)内的电加热器(148)，所述电加热器(148)配置成调节所述密封腔(146)内该体积氦气的温度。

7.如权利要求5所述的置换器(128)，进一步包括附连到所述第一端件(134)的管道(182)，所述管道(182)配置成向所述密封腔(146)输送加压气体。

8.如权利要求5所述的置换器(128)，进一步包括附连到所述第二端件(136)的管道(182)，所述管道(182)配置成向所述密封腔(146)输送加压气体。

9.如权利要求1所述的置换器(128)，进一步包括附连到所述第二端件(136)和所述外壳(130)的第二外波纹管(140)，所述第二外波纹管(140)配置成允许所述第二端件(136)相对于所述外壳(130)移动。

10.如权利要求1所述的置换器(128)，其中所述内波纹管(132)包括易弯曲材料。

11.一种超导磁体(100)包括：

设置在患者膛(109)周围的主线圈(102)，所述主线圈(102)配置成产生静态磁场；

环绕所述主线圈(102)的低温恒温器(108)，所述低温恒温器(108)配置成包含液体冷冻剂；

设置在所述低温恒温器(108)内的置换器(116)，所述置换器配置成从折叠状态变化到展开状态以便调节所述液体冷冻剂的液位。

12.如权利要求11所述的超导磁体(100)，进一步包括设置在所述低温恒温器(108)中的液位探头(118)以监测所述液体冷冻剂的液位。

13.如权利要求11所述的超导磁体(100)，进一步包括设置在所述低温恒温器内的第二置换器(116)。

14.如权利要求11所述的超导磁体(100)，其中所述低温恒温器(108)配置用于与磁共振成像系统(10)一起使用。