CN102713465B - 用于低温自由磁体的管形热开关 - Google Patents
用于低温自由磁体的管形热开关 Download PDFInfo
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Abstract
当冷却用于磁共振成像（MRI）装置中的超导磁体时，两级冷低温冷却器（42）利用第一级冷却器（52）来将工作气体（例如，氦、氢，等等）冷却至大约25K。工作气体利用对流通过导管系统移动，直到磁体（20）为大约25K。一旦磁体（20）达到25K，气流就停止，并且第二级冷却器（54）将磁体（20）进一步冷却至大约4K。
Description
技术领域
本申请具体地用于将超导体冷却至其临界温度以下的冷却过程和系统中，例如超导磁共振成像或波谱磁体（spectroscopymagnet）。然而，应当理解所描述的技术也可以应用在其它类型的医疗系统、其它冷却系统和/或其它冷却应用中。
背景技术
用于冷却超导MRI磁体的常规冷却系统利用填充有液态低温流体（例如，液态氦等）的昂贵且占据相当大的空间的大杜瓦瓶。
在最初冷却期间，通常利用第一级冷却器将氦气和磁体冷却到大约25开尔文（K）。第二级冷却器将氦从25K冷却至其4.2K的冷凝温度。
一旦温度达到25K以下，较暖的25K第一级就从第二级热断开。在大约25K的温度附近，有效的热切换可能不方便且复杂。
本领域对促进热切换用于MRI磁体的两级再生低温冷却系统的第一级的系统和方法的需要有待满足。
发明内容
根据一个方面，一种促进第一与第二冷却级之间无源切换以冷却超导体的低温冷却系统包括：第一级冷却器、热耦合至所述第一级冷却器的第一热交换器、第二级冷却器以及热耦合至所述第二级冷却器第二热交换器。所述系统还包括下流导管和上流导管，较稠的冷却气体通过所述下流导管从所述第一热交换器向下流至所述第二热交换器，当所述第二热交换器比所述第一热交换器更暖时，较稀较暖的气体通过所述上流导管从所述第一热交换器向上流至所述第二热交换器。另外，所述系统包括热耦合至所述第二热交换器的超导体。
根据另一方面，一种将超导体冷却至超导温度的方法包括：通过使用第一级冷却器来将工作气体冷却至第一级温度；允许冷却的工作气体从第一热交换器向下流至第二热交换器，所述第二热交换器与所述超导体热接触并且从所述超导体吸收热量；以及允许变暖的工作气体从所述第二热交换器向上流至所述第一热交换器。所述方法还包括：从所述变暖的工作气体耗散热量，并且将所述工作气体重新冷却至所述第一级温度；以及一旦所述第二热交换器大约达到所述第一级温度，就利用热耦合至所述超导体的第二级冷却器来将所述超导体冷却至超导温度。
根据再一方面，一种用于将超导磁体冷却至操作温度的设备包括：用于将工作气体冷却至大约25K的模块；以及用于使所述工作气体循环并且通过对流从所述超导磁体带走热量直到所述超导磁体大约为25K的模块。所述设备还包括用于将所述超导磁体从大约25K冷却至大约4K并且在操作期间将所述超导磁体保持在大约4K的模块。
一个优点是切换操作是无源的，并且不需要机械或运动部分。
另一优点是使在大约4开尔文（K）时低温冷却器第一级与磁体之间的热隔离最大化。
再一优点在于在全部温度范围内的高压、稠密的气体操作。
本领域技术人员通过阅读并理解以下详细描述将会领会本主题的新发明的进一步的优点。
附图说明
附图的目的仅在于说明各个方面，而不应解释为构成限制。
图1示出了包括两级低温冷却系统的磁共振（MR）系统，该磁共振系统以局部截面的形式示出，以图解地揭示所选的内部部件。
图2示出了根据此处描述的各个实施例的具有管形热开关的两级低温冷却系统。
图3示出了根据此处描述的一个或多个方面的用于无源地调节热开关的工艺流程，该热开关用于控制两级低温冷却器的操作，以便将MRI磁体从室温冷却至大约4K。
具体实施方式
在这里公开了通过使用具有管形热开关的两级低温冷却器来将MRI磁体或其它超导体冷却至诸如大约4K的其超导温度的系统和方法，该管形热开关在所选温度（例如，大约25K）时无源地热断开系统的第一级并激活系统的第二级。参考图1，磁共振（MR）系统包括MR扫描器10，MR扫描器10包括通常为圆柱形或环形的外壳12，该外壳12在图1中以局部截面的形式示出，以图解地揭示所选的内部部件。外壳12限定了与外壳12的圆柱形或环形轴16同轴的空腔14。对象容纳在空腔14中，以便成像。由螺线管形导电绕组所限定的热屏蔽的主磁体20产生静磁场（B0），该静磁场（B0）的场方向至少在空腔14的检查区域内大体上平行于圆柱形或环形轴。主磁体20的绕组是超导的；诸如由包含氦气或其它工作气体（例如，热交换气体）的真空室或杜瓦瓶以及其它形式的热绝缘等来对主磁体20的绕组进行热隔离，以使加热最小化。
外壳12还包含或支撑多个磁场梯度绕组22，以在空腔14的检查区域内的所选方向上叠加磁场梯度。磁场梯度大体上是时变的。作为说明性的示例，在磁共振激发期间，可以沿空腔的轴16施加片选择性的（slice-selective）磁场梯度来选择轴向片（axialslice），接着是静止周期，在该静止周期期间将相位编码磁场梯度横向施加至轴向片，再接着是读出周期，在该读出周期期间在横向于轴16和相位编码方向两者的方向上施加频率编码磁场梯度。在诸如回波平面成像（EPI）等更复杂的顺序中，可以由梯度绕组22的选择性激励来施加正弦或其它快速时变磁场梯度。
通过将磁共振频率（例如，用于3.0T场中的1H激发的128MHz）的射频（B1）脉冲施加至一个或多个射频线圈24来产生磁共振激发。在说明性实施例中，射频线圈24是诸如设置在与轴16同轴的外壳12上或中的鸟笼状线圈或横向电磁（TEM）线圈等“整体”体积线圈（volumecoil）。更通常地，将诸如头部线圈、肢体线圈、表面线圈等局部线圈（localcoil）或线圈阵列用于MR激发。可以通过使用与激发所用的线圈相同的一个或多个线圈24来执行MR读出，或者可以由一个或多个不同的射频线圈（未示出）来执行MR读出。
在说明性实施例中，患者装载系统包括患者卧榻30，其设置在外壳12的末端，使得可以将床32上的患者转移至MR扫描器10的空腔14中。MR系统还包括合适的MR电子模块34，其用于控制MR扫描器10以获取MR数据并处理所获取的MR数据。例如，MR电子模块34可以包括图像重建模块、波谱模块，等等。计算机或图形用户界面36提供用户与MR系统的界面，并且也可以将一些或全部MR电子模块34实现为在计算机36上运行的软件。以此方式，MR扫描器10产生位于空腔14的检查区域内的感兴趣体积（VOI）40的图像。
MR系统还包括可以在没有液氦的情况下操作的磁体冷却系统或低温冷却器42。为了达到使超导磁体20降低至其超导温度的低温（例如，大约4K），冷却系统42包括冷却至大约25K（或其它所选温度）的第一级52和冷却至大约4K（或某一其它预定义的温度）的第二级54。在磁体的最初冷却期间，有利的是使用第一级冷却器使磁体降低至大约25K，并且随后切换至第二级冷却器使磁体降低至大约4K。如根据图2所更详细地描述的，冷却系统42以无源切换与第一级的热连通的开和关的方式来耦合第一级和第二级。
说明性的MR扫描器10是一个示例。此处公开的用于冷却MR扫描器系统中的低温自由（cryo-free）磁体的方法可以适用于任何类型的MR扫描器，包括：所示的水平圆柱形空腔扫描器10、或开放式MR扫描器、垂直磁体MR扫描器等，以及在低温温度下操作的其它扫描器。
图2示出了冷却系统42的实施例。该系统是两级再生低温冷却器，其中第一级冷却器52将工作气体（并且由此将磁体20）冷却至第一温度（例如，大约25K），并且当磁体达到第一温度时开启第二级冷却器54，继续将工作气体和磁体冷却至第二温度（例如，大约4K）。第一级包括具有“高”侧58和“低”侧60的热交换器56（例如，由铜等形成）。螺旋形或螺线形缠绕的导管62从高侧58上的上层端口64到低侧上的下层端口66而卷绕第一级热交换器。导管也螺旋形或螺线形地缠绕第二级热交换器70。
上流导管72将第二热交换器的上层端口74与第一热交换器56的上层端口64连接。下流导管76耦合至第一级热交换器56的低侧60上的下层端口66，还耦合至第二级热交换器70的低侧上的下层端口78。其上具有阀的进气导管80耦合至该闭环系统，诸如耦合至下流导管76等。当阀开启时，将诸如氦等加压热交换器气体（例如，“工作”气体）加入到冷却系统42来装填系统以进行操作。在操作时，热交换器气体在第一级冷却器52与第二热交换器70之间流动。第二级热交换器70的底端84（例如，直接或者间接地）热耦合至磁体20，并从磁体传递走热量。
当第二热交换器70比第一热交换器56更暖时，冷却的且较稠的热交换器气体（或冷凝液体）通过下流导管76流至较暖的第二热交换器的底端。当热交换器气体从第二热交换器带走热量时，该热交换器气体变暖且变得较稀。该较稀的热交换器气体上升至第二热交换器级的最上端处的上层端口74，并通过上流导管流至第一热交换器的最上层端口64。因为由第一级52来冷却热交换器气体，所以该热交换器气体变得较稠，从而向下流至第一热交换器的最下层端口66，并沿下流导管76向下流动。以此方式，第一热交换器与第二热交换器之间的热梯度使热交换器气体循环。
一旦第一热交换器和第二热交换器达到平衡，热交换器气体中就不存在密度变化，且循环停止。随后，第二级54开始将第二热交换器70冷却至更冷的温度。因为第二热交换器中的热交换器气体最冷，所以该热交换器气体最稠，且不上升至第一热交换器，即循环保持停止。第二级54继续将第二热交换器冷却至超导或临界温度。第二热交换器可以由导热固体或材料来与磁体热连接，并且从磁体传导走热量。当工作气体被加热时，该工作气体上升至第二热交换器以被重新冷却。继续该循环，以使磁体保持在临界温度或临界温度以下。
在一个实施例中，第一级将第一热交换器冷却至大约25K，导管填充有至少冷却至25K时仍保持其气态阶段的热交换器气体，并且该导管是密封的。当磁体20在25K以上时，第一级冷却器52所冷却的气体通过流动导管利用重力流至与第二级和MRI磁体相邻的盘绕导管（coiltube）。当磁体大约为25K时，由磁体使耦合第二级热交换器70的盘绕导管中的气体变暖。由于暖气体与冷气体之间的密度差，变暖的气体从第二级热交换器70通过上流导管62而向上流回至第一级热交换器56，在这里被再一次冷却。以此方式，热交换器气体持续循环，直到将MRI磁体冷却至大约25K，在大约25K时热交换器气体的循环停止。随后，第二级将磁体从25K冷却至大约4K。
因为第二级比第一级处于更高的高度，所以通过上流导管中气体的自然对流，热量从第二热交换器经由上流导管传递至第一热交换器。该取向产生了冷稠气体从上层热交换至下层以及在底端加热的暖气体的返回的重力引起的循环。如果导管的底端变得比顶端更冷，则循环停止。将此现象应用于低温冷却器的第一级和第二级，使在从室温降至大约4.2K的整个冷却范围上能最有效地使用低温冷却器。
两级再生低温冷却器的冷却特性有助于这种热开关的使用。第一级冷却器52设计为在大约300K至大约25K的温度范围上提供比第二级冷却器54更大的冷却能力。低温冷却器的第二级54从大约25K至大约4K提供更大的冷却能力。因此，为了在大约300K至大约4K的整个范围上给磁体20提供最大的冷却，在从300K开始的初始冷却期间，将磁体热附接至第一级冷却器52，随后在将磁体冷却至低于大约25K之后，使磁体与第一级冷却器52隔离。
当导管填充有低沸点温度气体时，气体导管配置提供了此能力。该低沸点温度气体包括诸如氦、氢、氖和氮等气体。由于氢和氦的优异的热传递性质和低沸点温度，所以它们是有效的。此外，为了通过无源开关达到最大热效率，使导管设置的顶端和底端处的热传递最大化。即，此处公开的管形设计使通过安装到低温冷却器的第一级和第二级的螺线形缠绕的（例如，螺旋形的）热交换器的热性能最优。
此外，将会理解在这里所描述的第一温度和第二温度（例如，分别为25K和4K）实际上是说明性的，并且所描述的系统和方法不限于这些温度。相反，第一级冷却器可以将热交换器气体冷却至另一所选温度。即，第一温度和第二温度仅由所使用的一种或多种具体气体的沸点来限制。只要所选气体在第一温度和预定压力（例如，500psi或一些其它预定义的压力）下保持在气体状态，所选气体就适合用于所描述的系统和方法。例如，如果使用氮气来作为热交换器气体，则第一温度大约为60K，在60K以下时N2气流停止循环，并且第二级冷却器接替将磁体冷却至最终操作温度（例如，第二温度）。
因此，图2示出了针对管形无源热开关的方案设计。该开关包括分别安装至低温冷却器第一级52和热耦合至MRI磁体20的低温冷却器第二级54的两个热交换器56、70。下流导管76和上流导管62连接至为导管中所包含的气体提供流路的两个热交换器。在一个实施例中，通过将导管螺线形地缠绕到附接至低温冷却器和磁体和/或第二级的铜冷却板之上来制造热交换器。该设计产生了有效的热传递开关，当低温冷却器的第一级比磁体更冷时，该热传递开关通过重力引起的热对流来冷却磁体20，并且一旦磁体和第二级变得比低温冷却器第一级更冷，就通过停止流动来隔离磁体。该管形设计比常规方法更简单，并且在结构限制最小的情况下允许使用高压、稠密气体。系统的无源操作不需要通过机械交互在传递热量与不传递热量之间调节开关。
图3示出了根据此处描述的一个或多个方面的用于无源地调节热开关的工艺流程，该热开关用于控制两级低温冷却器的操作来将MRI磁体或其它低温超导体从室温冷却至例如大约4K。在100处，低温冷却器导管系统填充有工作气体（例如，氢、氦、氮、氖，等等）。在102处，第一级冷却器将流经该第一级冷却器的或该第一级冷却器附近的气体冷却至第一级温度，例如25K。在104处，冷气体通过下流导管降至第二级热交换器，在第二级热交换器处气体从MR磁体吸收热量。在106处，变暖的气体通过上流导管升回至第一级热交换器，在第一级热交换器处耗散热量并且第一级冷却器重新冷却气体。此过程持续直到磁体和第二级热交换器达到第一级温度。
在108处，一旦磁体和第二级热交换器处于或低于第一级温度，通过导管的流动就停止。因为第一级冷却器和热交换器的温度大于或等于第二级部件和MRI磁体的温度，所以气体停止从第二级热交换器吸收热量并且停止上升至第一级。在110处，第二级冷却器开启，并且将磁体冷却至其超导温度，例如大约4K。在112处，在其中使用磁体的MR装置的操作期间，第二级冷却器保持超导温度。
参考若干实施例描述了本新发明。通过阅读并理解前述的详细描述，本领域技术人员可以想到各种修改和变型。本新发明旨在解释为包括落入所附权利要求或其等同形式的范围内的所有这些修改和变型。
Claims (15)
1.一种低温冷却系统(42)，所述低温冷却系统(42)促进第一与第二冷却级(52、54)之间的无源切换以冷却超导体，所述低温冷却系统(42)包括：
第一级冷却器(52)；
第一热交换器(56)，其热耦合至所述第一级冷却器(52)；
第二级冷却器(54)；
第二热交换器(70)，其热耦合至所述第二级冷却器(54)；
下流导管(76)，较稠的冷却气体通过所述下流导管(76)从所述第一热交换器(56)向下流至所述第二热交换器(70)；
上流导管(72)，只有当所述第二热交换器比所述第一热交换器更暖时，较稀较暖的气体通过所述上流导管(72)从所述第二热交换器(70)向上流至所述第一热交换器(56)；以及
超导体，其热耦合至所述第二热交换器(70)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述下流导管(76)耦合至所述第一热交换器(56)的低侧(60)上的下层端口(66)，还耦合至所述第二热交换器(70)的低侧上的下层端口(78)；并且
所述上流导管(72)耦合至所述第一热交换器(56)的高侧(58)上的上层端口(64)，还耦合至所述第二热交换器(70)的高侧上的上层端口(74)。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述气体是氦气。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述气体是氢气、氖气或氮气中的一种。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一级冷却器(52)将所述气体冷却至大约25开尔文(K)。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，冷气利用重力通过所述下流导管(76)从所述第一热交换器(56)的所述低侧(60)向下流至所述第二热交换器(70)的所述低侧，当所述超导体比大约25K更暖时，从所述超导体(20)吸收热量，已经从所述超导体(20)吸收热量的较暖气体通过所述上流导管(72)从所述第二热交换器(70)的所述高侧上升至所述第一热交换器(56)的所述高侧(58)，并且耗散热量，并且在所述第一热交换器中将所述气体冷却回至大约25K。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，当所述超导体(20)达到大约25K时气流停止，并且所述第二级冷却器(54)将所述第二热交换器冷却至大约4K，由此将所述超导体(20)冷却至大约4K，并将所述超导体保持在大约4K。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述低温冷却系统(42)耦合至磁共振(MR)装置(10)，在所述磁共振装置(10)中所述超导体包括用于产生磁场的超导磁体(20)。
9.一种磁共振系统，包括：
超导磁体(20)，其产生穿过检查区域(14)的稳态磁场；
根据前述权利要求中的任一项所述的低温冷却系统(42)；
至少一个射频线圈(24)，其从所述检查区域(14)接收信号；以及
电子模块(34)，其处理磁共振信号。
10.一种将超导体(20)冷却至超导温度的方法，包括：
通过使用第一级冷却器(52)来将工作气体冷却至第一级温度；
允许冷却的工作气体从第一热交换器(56)向下流至第二热交换器(70)，所述第二热交换器(70)与所述超导体(20)热接触并且从所述超导体(20)吸收热量；
只有当所述第二热交换器比所述第一热交换器更暖时，允许变暖的工作气体从所述第二热交换器(70)向上流至所述第一热交换器(56)；
从所述变暖的工作气体耗散热量，并且将所述工作气体重新冷却至所述第一级温度；
一旦所述第二热交换器大约达到所述第一级温度，就利用热耦合至所述超导体的第二级冷却器(54)来将所述超导体冷却至所述超导温度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述超导温度大约为4K。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述超导体包括在磁共振(MR)装置中所使用的磁体。
13.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中所述工作气体是氦气。
14.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中所述工作气体是氢气、氖气或氮气中的一种。
15.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，还包括：
当所述第二热交换器比所述第一热交换器更冷时，所述工作气体停止在所述第一热交换器与所述第二热交换器之间流动，从而使所述第一热交换器与所述第二热交换器热隔离。
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