CN104471328A - 在例如用于磁共振成像系统的低温制冷器系统中减少堵塞 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低温制冷系统，该低温制冷系统在冷却磁共振成像系统时具有特别的应用。低温制冷系统包括管道，管道设置作为用来抽吸流体冷却剂的冷却回路并且与用于将流体冷却剂冷却到第一温度的至少一个冷却级热连通，其中，该管道包括低温冷阱，低温冷阱与流体冷却剂连通并且通过低温抽吸有效地从流体冷却剂去除污染物。该管道还包括流动阻抗和氢过滤器，流动阻抗用于将流体冷却剂冷却到比第一温度低的第二温度，氢过滤器位于流动阻抗的上游并且与流体冷却剂连通，氢过滤器被冷却到低于流体冷却剂中的氢的凝固点的温度并且有效地从流体冷却剂去除氢污染物。

Description

在例如用于磁共振成像系统的低温制冷器系统中减少堵塞
技术领域
本发明涉及在低温制冷系统中减少堵塞，具体地但非排它地涉及闭式循环制冷系统。当在磁共振成像(MRI)系统的冷却系统中实施本发明时，本发明具有特别的优点。
背景技术
在闭式循环制冷系统(其常见实例为Joule-Thomson冷却器)中，例如氦-3或氦-4等工作流体连续地流动通过设置用于形成无泄漏闭环回路的管道。室温泵、压缩机或它们的组合通常会产生环绕回路的流动。
由泵或压缩机供应的室温工作流体通过回路供给到低温恒温器中，在低温恒温器处，室温工作流体通过与冷却级的连续热交换而被冷却。冷却级可以由例如脉管制冷器或Gifford McMahon冷却器等低温制冷机提供，或者作为选择，可以由容纳液体冷却剂的储存器提供。然后，工作流体通过回路内的流动阻抗经由等焓膨胀被进一步冷却。通过使用这种闭式循环制冷系统可以获得1.5K(使用氦-4)或0.3K(使用氦-3)以下的温度。在膨胀过程中存在与待冷却样本的热交换，并且工作流体以室温返回到泵或压缩机以重新开始循环。因此，可以在例如MRI系统等医用冷却装置中使用闭式循环制冷系统。
闭式循环制冷器的另一实例是稀释制冷器，稀释制冷器在流动回路内包括附加的低温冷却级，并且可选地，稀释制冷器可以在闭式回路内包括附加的支路以允许预冷却。稀释制冷器通常还包括用作冷却级的阻抗。
由于工作流体从泵或压缩机处的室温逐渐冷却至低温恒温器内的低温，所以会出现问题。当冷却发生时，工作流体内的不需要的污染物在它们各自的液化点或凝固点液化或冻结。这会导致系统内的管道、热交换器和流动阻抗的逐渐堵塞。这种堵塞降低了传递至待冷却样本的冷却能力，并且还由于系统必须定期清洗以去除堵塞而降低了效率。Joule Thomson冷却器因其相对较窄的管道和自身的流动阻抗而特别容易堵塞，这通常会使流体路径显著变窄。在有大量的患者需要扫描并且长时间停机也不符合要求的例如医用MRI系统等应用中，这样的堵塞和频繁的清洗是不可接受的。
此外，在制冷系统的热循环(升温和冷却)期间，会出现更快速的堵塞机制。工作流体中的污染物水平通常随时间逐渐增加，这意味着在长操作时间结束时回路内的污染物水平高于操作开始时的污染物水平。在系统的后续冷却期间，由于工作气体的初始流率不同且整个回路的初始温度分布不同，所以工作流体中的污染物可能冻结在不同位置或冻结在更集中的位置。这会导致低温制冷系统的反复热循环的特殊问题。
US-A-4717406提供了一种用于从工作流体去除固体微粒的前置过滤器、用于进一步去除杂质的吸附床、以及用于从吸附床去除吸附材料的附带颗粒的后置过滤器。然而，一般来说，仍然存在这样的持续需求：降低在闭式循环制冷系统和低温制冷系统内积累的堵塞率。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种低温制冷系统，所述低温制冷系统包括管道，所述管道设置作为流体冷却剂被抽吸而流经的冷却回路并且与用于将所述流体冷却剂冷却到第一温度的至少一个冷却级热连通，其中，所述管道包括低温冷阱，所述低温冷阱与所述流体冷却剂连通并且通过低温抽吸有效地从所述流体冷却剂去除污染物，并且所述管道还包括流动阻抗和氢过滤器，所述流动阻抗用于将所述流体冷却剂冷却到比所述第一温度低的第二温度，所述氢过滤器位于所述阻抗的上游并且与所述流体冷却剂连通，所述氢过滤器被冷却到低于所述流体冷却剂中的氢的凝固点的温度并且有效地从所述流体冷却剂去除氢污染物。
在使用时，回路内的流体冷却剂被至少一个冷却级冷却到基准温度。然后，流体冷却剂通过流动阻抗经由膨胀被进一步冷却。至少一个冷却级可以是例如脉管制冷器(PTR)或Gifford McMahon(GM)冷却器等低温制冷机的冷却级，或者作为选择，可以是容纳例如液氮等低温冷却流体的储存器。使用低温制冷机特别有利，因为它允许制冷系统“无冷却剂”，从而显著减少冷却剂的泄漏。通常，流体冷却剂在到达基准温度之前会进行两级或多级冷却。例如，流体冷却剂可以首先与两级PTR的第一冷却级热连通，而随后与PTR的第二冷却级热连通。
我们已认识到在管道内有多种堵塞机制。初始堵塞通常是由于流体冷却剂中的例如水、氮、二氧化碳等空气成分在第一冷却级对管道进行冷却的区域处的冻结造成的。消除这种机制揭示了第二种更细微和更缓慢作用的堵塞机制：不能被低温冷阱去除的气体会导致容纳被冷却至低温的流体冷却剂的流动阻抗或薄管道的污染和逐渐堵塞。我们还认识到：特别是氢在流体内直接析出(沉淀)之前会保持在流体中，从而导致在流动阻抗处聚集并堵塞流动阻抗的“氢雪”。通常，在更快速的作用机制被解决之前，这种更缓慢的作用机制不会被发现。
低温制冷系统内的低温冷阱与氢过滤器的组合显著降低了因流体冷却剂内的污染物而造成的堵塞的积累速度。这特别重要，因为管道内的堵塞会降低制冷系统的冷却能力并且提高其基准温度。对堵塞的抵御能力的提高还延长了发生堵塞间隔的运行时间，从而提高了效率并减少了低温制冷系统的停机时间。
低温冷阱通常位于氢过滤器的上游，并且有效地去除流体冷却剂(通常为氦-3或氦-4)内的氮、氧、氩、二氧化碳、水和/或烃的任何分子或原子污染物。通过将流体冷却剂冷凝或冻结在低温冷阱的作用区域内的作用表面上来去除污染物(称为“低温抽吸”的方法)。因此，通常由大表面积、大体积的材料制成的低温冷阱的作用区域保持在低于上述污染物的沸点的温度，以便能够使低温抽吸机制出现。通常，低温冷阱与至少一个冷却级热连通，以便低温冷阱的作用区域保持在适当温度。在这种情况下，低温冷阱还可以用作第一冷却级与流体冷却剂之间的热交换器。然而，作为选择，低温冷阱可以独立于流体冷却剂而被冷却。通常，低温冷阱可以与两级PTR的第一冷却级热连通，并且保持在约30K～77K的温度范围内。
重要的是：当通过冷却回路抽吸流体冷却剂时，低温冷阱的作用区域与流体冷却剂连通。换言之，流体冷却剂可以穿过、通过或经过低温冷阱，以便流体冷却剂内的污染物可以冷凝或冻结在低温冷阱的冷却作用表面上。通常，低温冷阱包括入口和出口，入口位于出口的上游，以便流体冷却剂通过入口进入低温冷阱并且通过出口流出低温冷阱。作用区域位于入口与出口之间并且具有广阔的表面积。低温冷阱优选与管道串联地设置并且可以是管道的组成部分，但也可以设想使用其它布置，只要流体冷却剂与低温冷阱的作用表面连通即可。例如，低温冷阱可以是可拆卸的部件，以便可以改造装配到现有的制冷系统中，或者可以容易地拆除和重新连接以进行维护、清洗等。
低温制冷系统优选还包括微粒过滤器，该微粒过滤器位于低温冷阱的下游并且有效地收集因低温冷阱的磨损或损坏而产生的任何污染物。微粒过滤器可以是低温冷阱的组成部分，或者可以是独立于低温冷阱的部件。通常，微粒过滤器恰好位于低温冷阱的下游。
如上所述，低温制冷系统包括用于将流体冷却剂冷却到比第一温度低的第二温度的流动阻抗。这是由于当流体冷却剂从流动阻抗上游的高压侧流到流动阻抗下游的低压侧时流体冷却剂发生等焓膨胀。如果使用氦-4作为流体冷却剂，则该过程通常可以将流体冷却剂冷却到1.5K以下，而如果使用氦-3，则该膨胀通常可以将流体冷却剂冷却到0.3K以下。重要的是流动阻抗不会变得堵塞，因为堵塞会对膨胀过程所生成的冷却能力产生不利的影响。在本发明中，流动阻抗优选为针阀，然而也可以使用其它适当的流动阻抗，例如使管道收缩或将线材放置在内部以及使管道在延长的长度上局部地收缩或在管道区域内填充极细的烧结材料。
管道的壁部通常由不锈钢制成，然而也可以使用其它材料。对来自不锈钢管道以及来自例如低温制冷系统内的泵密封件和残留加工油等其它含烃材料的氢除气，这会产生由冻结在流体冷却剂中的氢气形成的“氢雪”微粒。因此，低温制冷系统还包括位于流动阻抗上游的氢过滤器以防止氢雪堵塞流动阻抗。氢过滤器被冷却到低于流体冷却剂内的氢的凝固点的温度，以便所收集的氢雪以固态形式保持在过滤器上而不会熔化或沸腾和重新进入流体冷却剂。
通常，氢过滤器包括用于收集氢雪微粒的微粒过滤器。过滤器优选具有在0.01微米～10微米范围内的孔隙(这里是指过滤器内的流动路径的横截面尺寸)，并且过滤器具有横截面(与流体冷却剂的流动方向垂直)与厚度之间的较大高宽比，这使得即使在氢在过滤器内积累期间也基本上不会影响流体冷却剂的流动。过滤器通常为烧结金属过滤器。
为了将氢过滤器保持在低于流体冷却剂内的氢的凝固点的温度，氢过滤器可以与第二冷却级热连通，第二冷却级在使用时被冷却到低于流体冷却剂中的氢的凝固点的温度。例如，低温冷阱和氢过滤器均可以与两级PTR热连通，其中，低温冷阱与第一级热连通，而氢过滤器与第二冷却级热连通。作为选择，氢过滤器可以独立于PTR而被冷却，并且位于PTR的第二级的下游。例如，氢过滤器可以被经过管道或流动阻抗本身的流体冷却剂冷却。氢过滤器和流动阻抗可以是单一部件，只要在流体冷却剂流动通过流动阻抗本身之前流体冷却剂与氢过滤器连通即可。基本上，流体冷却剂在随后流动通过流动阻抗之前流动通过氢过滤器，流动阻抗与氢过滤器相比具有更大的对流体冷却剂的流动的阻力。
流动阻抗通常因脱气的氢而堵塞的第二机制是流动阻抗内部和周围的树枝状结晶。氢过滤器位于流动阻抗的上游并且处于足够低的温度下，以便迫使树枝状结晶主要发生在过滤器中而不是在流动阻抗中，并且氢过滤器具有较大的横截面面积(与流体冷却剂的流动方向垂直)以帮助实现此目的。
低温冷阱可以包括相关联的加热器，当冷却循环完成时，加热器有效地加热低温冷阱。这种加热通过蒸发所收集到的污染物来使低温冷阱获得再生。相关联的加热器可以独立于低温冷阱或者是低温冷阱的组成部分。以类似的方式，氢过滤器可以包括相关联的加热器，该加热器可以是氢过滤器的组成部分或者可以是单独部件。作为选择，可以存在有效地同时加热低温冷阱和氢过滤器这两者的单个加热器。
低温制冷系统的管道还可以包括位于低温冷阱上游的分子阱。分子阱通常处于室温下并且有效地从流体冷却剂去除水/湿气和/或烃类污染物。这种分子阱通常包括沸石，沸石具有较大的表面积以吸附污染物，从而从流体冷却剂去除污染物。以与上述低温冷阱类似的方式，分子阱可以是管道的组成部分，或者作为选择，分子阱可以是可与管道连接的单独部件。分子阱通常与低温冷阱串联连接。
以与上述低温冷阱和氢过滤器类似的方式，分子阱还可以包括相关联的加热器，以便在冷却循环完成之后使分子阱获得再生。相关联的加热器可以独立于分子阱或者可以是分子阱的组成部分。作为选择，单个加热器可以加热低温冷阱、氢过滤器和分子阱中的两个或更多个。
低温制冷系统通常包括循环泵(例如涡旋泵或压缩机)以环绕冷却回路抽吸流体冷却剂，并且管道还可以包括微粒过滤器，微粒过滤器位于抽吸装置的下游并且有效地去除源自抽吸装置的污染物(例如由于涡旋泵中的末端密封件的磨损而产生的微粒)。这种微粒过滤器能够有利地进一步减少系统内的堵塞。
优选地，流动阻抗和至少一个冷却级以及低温冷阱和氢过滤器容纳在低温恒温器内。如果在低温制冷系统内还使用上述分子阱，则分子阱通常处于低温恒温器外部的环境温度下。这里，环境温度通常是“室温”。
应理解的是：术语“管道”是指流体冷却剂可以流动通过的任何体积(容积)。因此，管道包括整个冷却剂回路，从而包括低温冷阱和氢过滤器以及任何其它可选的阱和/或过滤器。管道通常布置为闭环回路，以便气体冷却剂在连续无泄漏的回路中流动通过低温恒温器。然而，在一些布置中，冷却回路可以不是“闭式”回路，因为冷却回路具有两个独立的端部。回路还可以具有附加的支路，例如稀释制冷器中的支路。
在本发明的第二方面中，提供一种根据第一方面的上述任何内容所述的低温制冷系统，其中，所述管道设置作为闭式回路。
因此，本发明提供了一种通过与流体冷却剂(流体冷却剂被抽吸而通过系统)连通的低温冷阱和氢过滤器的组合显著地降低低温制冷系统的堵塞率的手段。还可以包括其它可选的阱和过滤器，这样的阱和过滤器能够进一步提高制冷系统对堵塞的抵御能力。
根据本发明的低温制冷系统在磁共振领域具有特别有利的应用和用途，特别是在磁共振成像领域。
根据本发明的第三方面，提供一种磁共振系统，所述磁共振系统包括：磁体系统，其包括用于产生适于从目标区域获得磁共振信号的磁场的多个磁体；射频系统，其用于从所述目标区域获得射频信号；控制系统，其用于根据所述磁体系统和所述射频系统来控制在所述目标区域的不同部分内经历的磁场；处理系统，其用于根据所述射频信号形成图像；以及冷却系统，其适于在工作时使用根据第一方面或第二方面所述的低温制冷系统或闭式回路制冷系统来冷却所述磁体系统和所述射频系统中的一个或多个。
磁体系统通常包括超导磁体，冷却系统通常还包括设置作为超导磁体的散热器的传热介质，并且低温制冷系统或闭式回路制冷系统在使用时有效地从传热介质吸取热量。这种介质可以采用液态冷却剂、气态冷却剂或例如高纯度铜等固态高导热率材料的形式。
附图说明
现在，参考附图对本发明进行描述，其中：
图1是根据本发明的低温制冷系统的示意图；以及
图2是根据实例的装有低温制冷系统的磁共振系统的示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明的低温制冷系统100的示意图。系统100包括储存罐14，储存罐14容纳例如氦-3或氦-4等适当的流体冷却剂。当阀门14a被打开时，流体冷却剂沿供应管道9a从储存罐14流到管道9中。管道9基本上是由不锈钢制成的管，但也可以设想使用其它结构材料。管道具有圆形横截面，但也可以使用其它几何形状的横截面。在冷却循环期间，阀门11、12(将在下文描述)被打开，而阀门13(将在下文描述)被关闭，以便管道9形成如图1所示的环状冷却回路ABCDEF。循环泵1通过管道9沿箭头X所示的逆时针方向抽吸流体冷却剂。根据需要，管道可以是挠性的或刚性的以实现连续的冷却回路。
本领域技术人员可理解的是：冷却罐14相对于管道9和循环泵1的布置仅仅是示例性的，并且还可以使用其它适当的布置。
制冷系统100还包括真空绝热低温恒温器10，并且管道9布置为使流体冷却剂从循环泵1(其处于室温)流动通过低温恒温器。在低温恒温器10内，管道9与两级脉管制冷器(PTR，未示出)的第一级热连通，从而将流体冷却剂冷却到通常在约30K～77K的范围内的第一冷却温度。管道9随后与PTR的第二级热连通，从而将流体冷却剂冷却到在约3K～20K的范围内的温度。尽管在当前所述的实施例中使用PTR来冷却流体冷却剂，然而应认识到，可以使用任何低温制冷机，例如Gifford McMahon冷却器。
可选地，管道还可以通过热交换器6与PTR的管(例如回热器管)热连通，从而进一步冷却流体冷却剂。热交换器是管道9的组成部分，形成热交换器会使管道横截面变窄。管道在热交换器处的较小直径允许在流体冷却剂与PTR管之间有效地进行热交换。作为选择，热交换器可以是单独且可拆卸的部件。还可以使用与上述热交换器类似的热交换器来实现管道9与PTR的冷却级之间的热连通。
管道9还包括针阀8，针阀8设置有流动阻抗，从而在管道9中引起针阀上游的高压侧与针阀下游的低压侧之间的压差。流体冷却剂通过针阀8实现的等焓膨胀提供流体冷却剂的进一步冷却，并且根据所使用的流体冷却剂使流体冷却剂下降到约1.5K的温度。流体冷却剂随后退出低温恒温器10并且通过管道9返回到循环泵1，从而完成回路。
系统100包括以2、3、4、5和7表示的过滤器和阱的组合，该组合设计用于从流体冷却剂去除污染物，从而减少管道9内的堵塞。现在，在下文中对这些过滤器和阱进行描述。
在退出循环泵1之后，流体冷却剂首先流动通过微粒过滤器2。该过滤器具有约20微米的流路孔隙，并且设计用于从流体冷却剂去除可能因循环泵1的磨损而产生的例如PTFE等污染物微粒。
然后，流体冷却剂流动通过包含沸石和/或分子筛颗粒的分子阱3。分子阱3还可以包含吸湿性材料。流体冷却剂通过入口3a进入分子阱，并且通过位于入口下游的出口3b退出。当流体冷却剂流动通过分子阱3时，例如水/湿气和/或烃等污染物被分子阱内的沸石和/或分子筛颗粒吸附，从而从流体冷却剂中被去除。分子阱3通常可以与管道串联连接并且可被拆除，以便分子阱能够改造装配到现有系统中或者可以被拆卸以便维修等。然而，作为选择，管道9可以形成包含吸附材料的分子阱3的外主体。
微粒过滤器2和分子阱3这两者均处于环境温度(通常是室温)下。
管道9包括位于分子阱下游的另外的微粒过滤器4。该过滤器有效地去除来自分子阱3的沸石污染物和因泵而产生的任何其它微粒。微粒过滤器4通常处于室温下，然而，在可选实施例中，微粒过滤器通过作为低温冷阱5的一部分或与低温冷阱5热连通而被冷却(见下文)。
在流体冷却剂通过微粒过滤器4之后，流体冷却剂流入到位于低温恒温器10内的低温冷阱5中。低温冷阱5包括具有入口5a和出口5b的中空金属筒，该中空金属筒能够与管道9串联连接。然而，也可以设想使用其它几何体，在一个实例中，管道9形成低温冷阱的外主体，以便低温冷阱5和管道9形成单一部件。低温冷阱5填充有大表面积材料，以使流体冷却剂内的污染物在该材料上冷凝或冻结。管道9内的流体冷却剂通过入口5a流入到低温冷阱5中、流过大表面积材料、并且通过出口5b退出。
低温冷阱5与PTR的第一级热连通从而被冷却到通常在30K～77K的范围内的温度，但也可以设想使用能够将低温冷阱冷却到所需温度的其它装置。低温冷阱5还用作PTR级与管道之间的热交换器，从而提供对流动通过低温冷阱5的流体冷却剂的冷却。因此，流体冷却剂中的沸点高于流体冷却剂的温度的污染物通过低温抽吸冷凝或冻结在该表面上。低温冷阱5通常有效地从流体冷却剂中去除氮、氧、氩、二氧化碳等的任何污染物，以及未被分子阱3去除或者因对分子阱3与低温冷阱5之间的管道除气而存在的残留的水、湿气或烃。根据低温冷阱5的温度，通过低温抽吸去除不同的污染物。
如上所述，流体冷却剂随后流动通过热交换器6。过滤器2、4和阱3、5的布置有利地减少了因热交换器6中的污染物而造成的堵塞，热交换器6因具有较小的横截面直径而特别容易堵塞。
随后，与PTR的第二冷却级的热交换将流体冷却剂冷却到在约3K～50K的范围内的温度，然而也可以获得2K的基准温度。然后，流体冷却剂流动通过位于针阀8的上游的氢过滤器7。氢过滤器7是具有约0.1微米～10微米的孔隙的超细过滤器，以便收集由于氢气在流体冷却剂中的冻结而产生的氢雪。
氢过滤器具有其总直径与其厚度之间的较大高宽比，其中，这里的直径与流体冷却剂的流向垂直。这有利地意味着：即使氢在阱中的量积累，对在氢过滤器内流动的流体冷却剂的阻力也较低。气体冷却剂随后在回路内从氢过滤器流动到流动阻抗。
氢气的主要来源是管道9的不锈钢壁的除气作用。过滤器7由烧结金属制成，并且被冷却到比流体冷却剂中的氢的凝固点的温度低的温度。由于流动通过氢过滤器的流体冷却剂的温度通常低于氢的凝固点，因此氢过滤器通常因气体冷却剂流过而被简单地冷却。然而，也可以设想使用冷却氢过滤器7的其它方法，例如与PTR的第二冷却级热连接。由于氢过滤器位于阻抗的上游、具有与流体冷却剂的流动方向垂直的较大表面积、并且被冷却到低于氢的凝固点的温度，因此氢的枝晶生长被强制出现在氢过滤器上而非流动阻抗内。这有利地减少了流动阻抗的堵塞。
氢过滤器位于管道内并且可以从管道上拆下，从而能够改造装配到现有制冷系统中并且能够拆卸以便维修等。
在流体冷却剂通过针阀8之后，流体冷却剂流动通过管道9的其余部分并且回到循环泵1，在循环泵1处，流体冷却剂被重新抽吸通过回路。
可选地，如图1所示，制冷系统100还包括位于管道9中的阀11、12。阀11位于微粒过滤器4的上游，而阀12位于针阀8的下游，两个阀11、12均位于低温恒温器10的外部。阀11、12例如可以是针阀、电磁阀或球阀。在使用中，在冷却循环完成后，关闭阀11，并且通过打开阀14a来将流体冷却剂抽吸回储存罐14，从而从冷却回路去除流体冷却剂。然后，关闭阀12、14a，而此时系统仍然较冷，从而将回路的通过低温冷阱10的部分(以15表示)与回路的其余部分彼此隔离。当部分15升温时，由低温冷阱5和氢过滤器7(以及可选地过滤器4)收集的污染物被除气而进入管道中。然后，打开位于污染物管道16中的阀13，并且沿着污染物管道16从冷却回路抽走污染物。
污染物的除气作用使低温冷阱5和氢过滤器7获得再生。为了提高低温冷阱5和氢过滤器7的除气速度，可以使用可选的加热器来提高回路部15(特别是低温冷阱5和氢过滤器7)的升温速度。
以与低温冷阱5和氢过滤器7类似的方式，在将阀11、12和14a关闭之后，可以使用可选的加热器来加热分子阱3。使用附加的阀和抽吸口(未示出)将对受热的分子阱3除气的污染物抽离冷却回路。可选地，可以包括位于供应管道9a与分子阱3之间的附加阀门，以便允许更多的流体冷却剂被抽吸回储存罐14以及允许分子阱3在重生期间与泵1隔离。
微粒过滤器2通常通过清洁或更换而获得再生。
为了开始后续的冷却循环，关闭阀13并重新打开阀11、12、14a，以便可以通过冷却回路从储存罐14抽吸流体冷却剂。
尽管在上文中就包括闭式冷却回路和低温恒温器的制冷系统对本发明进行了描述，然而本发明还适合于在通过管道抽吸流体冷却剂的任何低温制冷系统中使用。
在磁共振成像系统中的应用
图2示出了低温制冷系统在向磁共振成像系统提供冷却能力方面的示例性应用。磁共振成像系统500包括主磁体系统501。主磁体系统501包括以超导线圈形式布置的主磁场磁体，该超导线圈以螺线管结构卷绕在线圈架上。应理解的是：在本系统中存在包括匀场磁体的其它磁体以确保磁场的校正，从而确保在位于螺线管结构的中心的当前目标区域502内产生的磁场充分地高度地均匀以便产生高空间分辨率的信号。在医疗环境中，患者身体的待查部分被定位在该目标区域502内。在使用时，通过将超导线圈放置为与某种形式的散热器热接触，使超导线圈保持在其超导转变温度以下，并且确保超导线圈保持在能够提供高度绝热环境的低温恒温器503中。
根据MRI的原理，当目标区域存在磁场梯度时，通过分析从目标区域内的材料接收到的射频(RF)信号来获得目标区域内的空间信息。在对梯度场线圈504和主磁场系统501进行控制的磁体控制器505的控制下，通过梯度场线圈504产生磁场梯度。由于所需磁场强度比较低，因此梯度线圈使用常导磁体产生沿三个正交方向的磁场梯度。有利的是将梯度场线圈504放置成靠近目标区域并因此位于螺线管孔内。类似地，从目标区域发射和接收射频信号的RF发射器/接收器506优选放置成靠近目标区域502，并且同样如图2所示位于螺线管孔内。使用RF控制器507来控制发射器/接收器506。冷却系统控制器508控制MRI系统500的各个冷却部件(例如主磁场系统)的冷却。磁体控制器505、RF控制器507和冷却系统控制器508转而又各自作为系统控制器509的一部分操作。
本领域的普通技术人员可理解的是：根据从相应梯度条件下的目标区域接收到的RF信号形成有意义的成像数据需要先进的和大量的计算资源。在本实例的系统内，通过图像采集处理系统511提供计算资源。实际上，本实例的系统包括其它部件和装置，例如包括患者监测、安全监测、数据存储等。尽管未在图2中示出上述各个部件和装置，然而应理解为它们是存在的。MRI系统的熟练操作员通过用户界面512控制该系统。可以理解，通常使用计算机软件和电子器件来实现上述控制器和其它装置。
我们现在转向在图2中以513表示的冷却系统本身，其处于冷却系统控制器508的操作控制之下。作为冷却系统513的实施方式的实例，超导主磁体系统501的磁场线圈放置成通过被例如氦-4等液体冷却剂包围而与散热器接触。在用于主磁体绕组的高温超导体的实际实施方式中，冷却剂可以是不同的液体，例如氮。在本实施例中，低温超导线圈浸没在形成冷却系统513的一部分的储存器内。液体冷却剂随着时间的推移吸收热量，这导致气化物进入冷却系统513的上部区域内的头部空间。冷却系统513通过使用前面所讨论的形式(即更不易于堵塞)的低温制冷系统提供冷却能力。
以100示意性地表示低温制冷系统，并且为了简单起见，仅示出了储存罐14、低温冷阱5、氢过滤器7和针阀8。在这种情况下，低温冷阱与PTR的第一(较高温度)级514热连通，而氢过滤器与PTR的第二(较低温度)级515热连通。针阀8被定位在上述头部空间内的储存器的内部中。因此，气态的汽化氦被低温制冷系统100再冷凝(因为在流体冷却剂通过针阀8之后流体冷却剂的工作温度低于液氦的冷凝点)，并且液氦返回到储存器以提供进一步的冷却。如此，可以在“无损”状态下使用本系统，从而有效地实现在操作期间系统不会损失氦，因为所有被汽化的氦最终都被低温制冷系统再冷凝。此外，由于低温制冷系统所经历的堵塞的减少，使得因所需清洁的频率降低而基本上减少了MRI系统500的停机时间量。
与将材料浸没在有效静止流体池中不同，可以设想使用外部抽吸回路来提供流动的冷却剂以便冷却超导体。这会在例如向磁体的所有部分提供充分散热的流动路径等工程方面造成技术挑战。此外，虽然液体冷却剂是优选的，但特别是对于高温超导体而言，可以考虑气体冷却(因为超导转变温度高于液体冷却剂的沸点)。在实现这种抽吸流动路径的冷却系统中，使用低温制冷系统冷却流动回路的一部分，可以设想这种冷却系统作为可选的示例性冷却系统513。
此类发展的前沿是利用传导冷却通过固态高导热率材料将冷却能力直接从低温制冷系统传递至磁体线圈而不使用低温冷却流体。一些这样的设计已被提出，并且在这些情况下，尤其重要的是提供低温制冷系统的冷却级(例如针阀8)与超导材料之间的靠近方法。原则上，这也可以使用冷却系统513来实现。实际上，在上述实例中需要提供低温制冷系统的多个示例，特别是在此处的传导冷却的情况下。
在向超导材料提供冷却能力的各个上述实例中，具有在与待冷却材料相距短距离的范围内设置低温制冷系统的优势。这减少了所需冷却剂的量、额外的热源输入和总成本。
虽然上述讨论集中于对主磁体系统501的冷却，但已经提出了低温制冷系统在冷却MRI系统的其它部分方面也非常有用。例如，已经提出了可以使用被冷却的线圈来实现RF发射器/接收器系统。这些可以被实现为超导线圈，在这种情况下，它们需要被冷却到其超导转变温度以下。例如，通过冷却可以处于低温的循环冷却剂的流动路径，还可以使用本文所讨论的改进的低温制冷系统来提高对此类(常导或超导)线圈的冷却能力。

Claims (24)

1.一种低温制冷系统，包括：
管道，其设置作为流体冷却剂被抽吸流经的冷却回路，所述管道与用于将所述流体冷却剂冷却到第一温度的至少一个冷却级热连通，
其中，所述管道包括低温冷阱，所述低温冷阱与所述流体冷却剂连通并且通过低温抽吸有效地从所述流体冷却剂去除污染物，并且
所述管道还包括流动阻抗和氢过滤器，所述流动阻抗用于将所述流体冷却剂冷却到比所述第一温度低的第二温度，所述氢过滤器位于所述流动阻抗的上游并且与所述流体冷却剂连通，所述氢过滤器被冷却到低于所述流体冷却剂中的氢的凝固点的温度并且有效地从所述流体冷却剂去除氢污染物。
2.根据权利要求1所述的低温制冷系统，其中，所述低温冷阱与所述至少一个冷却级热连通。
3.根据权利要求1或2所述的低温制冷系统，其中，所述至少一个冷却级是低温制冷机的冷却级。
4.根据权利要求1或2所述的低温制冷系统，其中，所述至少一个冷却级是容纳低温冷却液的储存器。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的低温制冷系统，其中，所述低温冷阱包括入口和出口，所述入口位于所述出口的上游。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的低温制冷系统，其中，所述低温冷阱包括大表面积材料。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的低温制冷系统，其中，所述管道还包括位于所述低温冷阱下游的微粒过滤器。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的低温制冷系统，其中，所述氢过滤器包括微粒过滤器。
9.根据权利要求8所述的低温制冷系统，其中，所述过滤器的孔隙小于10微米。
10.根据权利要求8或9所述的低温制冷系统，其中，所述过滤器的孔隙大于0.01微米。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的低温制冷系统，其中，所述微粒过滤器包括烧结金属过滤器。
12.根据权利要求8至11中的任一项所述的低温制冷系统，其中，所述氢过滤器与第二冷却级热连通，所述第二冷却级在使用时被冷却到低于所述流体冷却剂中的氢的凝固点的温度。
13.根据权利要求8至11中的任一项所述的低温制冷系统，其中，所述氢过滤器与所述流动阻抗热连通。
14.根据权利要求13所述的低温制冷系统，其中，所述氢过滤器和所述流动阻抗形成为单一部件。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的低温制冷系统，其中，所述低温冷阱和所述氢过滤器中的至少一个具有相关联的加热器。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的低温制冷系统，其中，所述管道还包括位于所述低温冷阱上游的分子阱。
17.根据权利要求16所述的低温制冷系统，其中，所述分子阱包括沸石。
18.根据权利要求16或17所述的低温制冷系统，其中，所述分子阱具有相关联的加热器。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的低温制冷系统，其中，所述流体冷却剂由循环泵进行抽吸，所述管道包括位于所述循环泵下游的微粒过滤器，所述微粒过滤器有效地去除从所述循环泵引入到所述流体冷却剂中的污染物。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的低温制冷系统，其中，所述至少一个冷却级和所述流动阻抗容纳在低温恒温器内。
21.一种闭式回路制冷系统，包括根据前述权利要求中的任一项所述的低温制冷系统，其中，所述管道设置作为闭式回路。
22.一种将根据前述权利要求中的任一项所述的低温制冷系统或闭式回路制冷系统用于为磁共振系统提供冷却的用途。
23.一种磁共振系统，包括：
磁体系统，其包括用于产生适于从目标区域获得磁共振信号的磁场的多个磁体；
射频系统，其用于从所述目标区域获得射频信号；
控制系统，其用于根据所述磁体系统和所述射频系统来控制在所述目标区域的不同部分内经历的磁场；
处理系统，其用于根据所述射频信号形成图像；以及
冷却系统，其适于在工作时使用根据权利要求1至21中的任一项所述的低温制冷系统或闭式回路制冷系统来冷却所述磁体系统和所述射频系统中的一个或多个。
24.根据权利要求23所述的磁共振系统，其中，所述磁体系统包括超导磁体，所述冷却系统还包括设置作为所述超导磁体的散热器的传热介质，并且所述低温制冷系统或所述闭式回路制冷系统在使用时有效地从所述传热介质吸取热量。
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