CN106158228B - 用于超导磁体的冷却系统及磁体系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式公开了一种用于超导磁体的冷却系统。冷却系统包括至少一个气罐、第一再冷凝器、至少一个制冷管和至少一个导热带。第一再冷凝器用于再冷凝来自至少一个气罐的第一气态制冷剂并提供用于冷却超导磁体的第一液态制冷剂。至少一个导热带的一端与至少一个制冷管热接触，另一端与至少一个气罐热接触，从而使得流经至少一个制冷管的第二液态制冷剂用于冷却至少一个气罐。本发明实施方式还提供一种磁体系统。

Description

用于超导磁体的冷却系统及磁体系统

技术领域

在本说明书中公开的本发明实施方式大体上涉及超导磁体装置，并且更具体地说，涉及用于冷却超导磁体装置的系统和方法，尤其是在电机、磁存储器以及磁共振成像(MRI)系统中冷却超导磁体装置的系统和方法。

背景技术

超导线圈典型地使用氦容器进行低温冷却，超导线圈例如形成磁体装置的超导线圈。在这些传统磁体装置中，超导线圈在液氦(Helium)浴槽中进行冷却，以将线圈浸入液氦之中。这种冷却布置要求使用包含数千公升液氦的极大高压容器，所得结构较为沉重。在许多情况下，需要强化放置有磁体装置的底板，而且由于典型升降机，无法支撑(如MRI系统中)这些磁体装置的重量，因而需要使用起重机来安装磁体装置。此外存在许多无法提供液氦输送和服务的区域(例如，服务匮乏区域或尚未开发区域)。因此，传统磁体装置无法安装在这些场所中。

此外，这些系统中的液氦有时可能汽化，如在失超事件期间汽化，其中汽化的氦从浸有磁体线圈的制冷剂浴槽中逸出。每次失超均跟随有重新注满(氦)和磁体升流的过程，因而成本昂贵且费时。此外，在传统超导磁体装置中，需要在磁体失超之后通过通气管道来使外部通气系统排放气体，如汽化氦。通气管道难以安装，并且在一些实例中，无法安装。因此，考虑到成本结果以及一些情况，氦的排放可能需要注意环境问题或需要进行监管。

因此，用于磁体装置的传统冷却布置可能产生特殊安装要求，导致无法在某些区域安装这些系统，并且使得维护成本较高。

发明内容

现在归纳本发明实施方式的一个或多个方面以便于本发明实施方式的基本理解，其中该归纳并不是本发明实施方式的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明实施方式的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明实施方式的一些概念。

本发明实施方式的一个方面在于提供一种用于超导磁体的冷却系统，其包括：

至少一个气罐；

第一再冷凝器，用于再冷凝来自至少一个气罐的第一气态制冷剂并提供用于冷却超导磁体的第一液态制冷剂；

至少一个制冷管；及

至少一个导热带，其一端与至少一个制冷管热接触，另一端与至少一个气罐热接触；从而使得流经该至少一个制冷管的第二液态制冷剂用于冷却至少一个气罐。

本发明实施方式的另一个方面在于提供一种磁体系统，其包括：

至少一个线圈支撑架；

超导磁体，设置于该至少一个线圈支撑架上；

至少一个气罐；

至少一个第一再冷凝器，用于再冷凝来自至少一个气罐的第一气态制冷剂并提供用于冷却超导磁体的第一液态制冷剂；

至少一个制冷管；及

至少一个导热带，其一端与至少一个制冷管热接触，另一端与至少一个气罐热接触；从而使得流经该至少一个制冷管的第二液态制冷剂用于冷却至少一个气罐。

本发明实施方式的另一个方面在于提供一种用于超导磁体的冷却系统，该冷却系统包括：

至少一个气罐；

第一再冷凝器，用于再冷凝来自该至少一个气罐的气态氦并提供用于冷却超导磁体的液态氦；

至少一个制冷管；及

至少一个导热带，其一端与至少一个制冷管热接触，另一端与至少一个气罐热接触；从而使得流经该至少一个制冷管的液态氮用于冷却至少一个气罐。

本发明的实施例提供的冷却系统及磁体系统，由于至少一个第一再冷凝器用于再冷凝来自至少一个气罐的第一气态制冷剂并提供用于冷却超导磁体的第一液态制冷剂，因此该实施例能够冷却超导磁体，如MRI系统的超导磁体，需要较少液氦，从而减少MRI系统重量并且放宽这些系统的安装要求。此外，流经该至少一个制冷管的第二液态制冷剂用于冷却至少一个气罐，因此该实施例可以减少冷却超导磁体的时间。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明实施方式的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1是根据本揭露书的一个实施方式形成的MRI磁体系统的功能模块图。

图2是根据本揭露书的一个实施方式形成的MRI磁体系统的示意侧视图。

图3是根据本揭露书的一个实施方式的用于冷却气罐的导热带的示意图。

图4是根据本揭露书的一个实施方式的制冷管的一个示意图。

图5是根据本揭露书的一个实施方式的制冷管的另一个示意图。

图6是根据本揭露书的一个实施方式的用于升高气罐温度的加热器的示意图。

图7是根据本揭露书的一个实施方式的第一再冷凝器和冷却液罐的示意图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明实施方式所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明实施方式的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明实施方式所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

请参阅图1，MRI磁体系统90设置于真空容器102(例如，钢制真空容器)内。真空容器102围绕MRI磁体系统90的热屏蔽罩104设置。本文，作为一个非限制性示例，第一制冷剂是氦，第二制冷剂是氮。

MRI磁体系统90包括一个或多个超导磁体和冷却系统。冷却系统包括用于冷却超导磁体的两级冷却布置。在本具体实施方式中，超导磁体由一个或多个超导主线圈26和一个或多个超导反磁线圈56构成。

冷却系统包括第一级冷却布置，其包括一个或多个制冷管10、第二再冷凝器16、输入管160及预冷却液罐18。第一级冷却布置用于提供第一级冷却，例如，使用液态氮(LiquidNitrogen)，在大约77K和80K之间的温度内实现冷却或预冷却，例如在安装或第一次打开MRI磁体系统90时。

制冷管10包括连接管164。第二再冷凝器16与输入管160流体连通。第二再冷凝器16还通过连接管164与预冷却液罐18流体连通。

输入管160具有入口部162。入口部162延伸到热屏蔽罩104的内部，用于引入第二气态制冷剂(例如，氮气)。第二再冷凝器16用于再冷凝来自输入管160的氮气并提供液态氮，流经连接管164的液态氮用于填充预冷却液罐18。预冷却液罐18与超导主线圈26热耦合，因此，预冷却液罐18可以提供液态氮以用于冷却超导主线圈26。

制冷管10还包括两个预冷却管12和15。预冷却管12和15穿过真空容器102进入热屏蔽罩104的内部。预冷却管12与预冷却管15流体连通。预冷却管12与超导主线圈26热耦合。预冷却管15与热屏蔽罩104热耦合。

预冷却管15具有入口部150，入口部150延伸到热屏蔽罩104的内部，用于引入第二液态制冷剂(例如，液态氮)到MRI磁体系统90。预冷却管12具有出口部120，出口部120延伸到热屏蔽罩104的外部，用于释放第二液态或气态制冷剂(例如，气态或液态氮)。

因此，预冷却管12可以提供液态氮以用于冷却超导主线圈26，并且预冷却管15可以提供液态氮以用于冷却热屏蔽罩104。

在其他实施方式中，制冷管10仅包括预冷却管12。预冷却管12具有用于引入液态氮的入口部150和用于释放液态或气态氮的出口部120。因此，预冷却管12可提供液态氮以用于冷却超导主线圈26。

冷却系统还包括第二级冷却布置，其包括两个或多个磁体冷却管22和52、气罐46、第一再冷凝器42、冷却液罐44、入口歧管45和出口歧管47。例如，第二级冷却布置使用液态氦(He)，在稳定状态运行期间和/或在断电状态期间实现对超导磁体的冷却，因此，允许以“穿越”(ride-through)模式来达到约4.2K的运行温度。在其他实施方式中，MRI磁体系统90包括两个或两个以上气罐46。

气罐46与入口部460流体连通，入口部460延伸到热屏蔽罩104的内部，用于将第一气态制冷剂引入MRI磁体系统90。作为一个非限定的示例，第一气态制冷剂是氦气(He)。

第一再冷凝器42流体连通于气罐46与冷却液罐44之间。第一再冷凝器42、气罐46和冷却液罐44形成闭合循环冷却系统，以用于冷却超导主线圈26和超导反磁线圈56。

第一再冷凝器42通过连接管420再冷凝来自气罐46的氦气，并通过连接管422用液态氦填充冷却液罐44。

磁体冷却管22、52与冷却液罐44之间的流体连通可以通过入口歧管45实现。磁体冷却管32与超导主线圈26热耦合。磁体冷却管52与超导反磁线圈56热耦合。冷却液罐44用于提供液态氦，该液态氦经过入口歧管45进入磁体冷却管22和52。因此，磁体冷却管22可提供液态氦以用于冷却超导主线圈26，磁体冷却管52可提供液态氦以用于冷却超导反磁线圈56。

在低温制冷器40的运输、断电或关机期间，例如维修低温制冷器40，冷却液罐44中的液态氦可用于冷却超导线圈26和56。

磁体冷却管22和52还与出口歧管47流体连通，出口歧管47通过第一再冷凝器42与一个或多个气罐46流体连通。因为磁体冷却管22和52分别从超导线圈26和56中去除热量，所以第一再冷凝器42通过出口歧管47再冷凝来自磁体冷却管22和52的汽化氦气，并提供液态氦以用于填充冷却液罐44。第一再冷凝器还用于再冷凝来自气罐46的汽化氦气，并提供液态氦以用于填充冷却液罐44。

低温制冷器40可为冷头或其他合适的制冷机，其延伸穿过真空容器102，真空容器102中包含MRI磁体系统90以及各项实施例的冷却部件。

在MRI系统运行期间，根据在本说明书中更详细的描述来控制超导磁体线圈26以获得MRI成像数据。此外，在MRI系统运行期间，液态氦冷却超导磁体线圈26。

请参阅图2，MRI磁体系统90还包括线圈支撑架24和54。线圈支撑架24和54由导热材料(例如，铝)制成，其分别用于支撑超导主线圈26和超导反磁线圈56或保持其定位。

预冷却液罐18设置于线圈支撑架24的外表面上，并与线圈支撑架24热耦合。

预冷却管12和磁体冷却管22设置于线圈支撑架24的外表面上，并与线圈支撑架24热耦合。

磁体冷却管52设置于线圈支撑架54的外表面上，并与线圈支撑架54热耦合。

具体来说，参见图2，四个磁体冷却管22设置于线圈支撑架24的外表面上，用于冷却若干超导主线圈26。两个磁体冷却管52设置于线圈支撑架54的外表面上，用于冷却若干超导反磁线圈56。

现参照图3，MRI磁体系统90包括两个气罐46A、46B和两个导热带92、94。两个气罐46A、46B与热屏蔽罩104机械耦合。作为一个非限制性示例，气罐46A、46B与热屏蔽罩104通过不锈钢连接。

导热带92的一端与预冷却管15热接触，另一端与气罐46A热接触。导热带94的一端与预冷却管12热接触，另一端与气罐46B热接触。在非限定的实施方式中，导热带92、94均由铜制成。

因为预冷却管15具有用于将液态氮引入MRI磁体系统90的入口部150，所以预冷却管15可以通过导热带92，提供用于冷却气罐46A的液态氮。预冷却管12可以通过导热带94，提供用于冷却气罐46B的液态氮。

MRI磁体系统90还包括两个导热带96和98。导热带96的一端与连接管164热接触，另一端与气罐46A热接触。导热带98的一端与连接管164热接触，另一端与气罐46B热耦合。在非限定的实施方式中，导热带96和98均由铜制成。

因为第二再冷凝器16通过连接管164用液态氮填充预冷却液罐18，所以流经连接管164的液态氮可以通过导热带96来冷却气罐46A。同样，流经连接管164的液态氮还可以通过导热带98冷却气罐46B。

预冷却管15包括第一部分和第二部分，第一部分与导热带92热接触。预冷却管15用作热开关，其导通状态表示第一部分与第二部分热耦合，断开状态表示第一部分与第二部分热解耦。作为一个非限定的示例，第一部分可以是导热带92和预冷却管15之间的连接点，第二部分是入口部150。

预冷却管12包括第一部分和第二部分，第一部分与导热带94热接触。预冷却管12用作热开关，其导通状态表示第一部分与第二部分热耦合，断开状态表示第一部分与第二部分热解耦。作为一个非限定的示例，第一部分可以是导热带94和预冷却管12之间的连接点，第二部分是出口部120。

其原因是，在冷却过程中，第一部分通过流经预冷却管12或15的液态氮，实现与第二部分的热耦合。

MRI磁体系统90还包括第一传感器260和泵262。第一传感器260用于侦测超导主线圈26的温度，如果侦测到的温度低于第一阈值温度，泵262用于通过出口部120抽出预冷却管12和15中的气态氮或液态氮，使得预冷却管12和15成为真空预冷却管。作为一个非限制性实例，第一阈值温度是80K。由于预冷却管12和15是真空预冷却管，因此预冷却管12或15的第一部分与第二部分热解耦。

连接管164包括与导热带96或98热接触的第一部分和第二部分。连接管164用作热开关，其导通状态表示第一部分与第二部分热耦合，断开状态表示第一部分与第二部分热解耦。作为一个非限定的示例，第一部分可以是导热带96或98和连接管164之间的连接点，第二部分可以是第二再冷凝器16和连接管164之间的连接点。其原因是，在冷却过程中，第一部分通过流经连接管164的液态氮，实现与第二部分热耦合。如果超导主线圈26进一步被冷却至氮的凝固温度，大约在63K，预冷却液罐18中的液态氮凝固，使得连接管164变成真空管。因此，连接管164的第一部分也与第二部分热藕解。

现参照图4，具体来说，制冷管10包括两个预冷却管12、15、入口管105、出口管106和连接管108。预冷却管12、15分别与线圈支撑架24和热屏蔽罩104热耦合。入口管105流体连通于入口部150和预冷却管15之间。连接管108流体连通于预冷却管12和15之间。出口管106流体连通于出口部120和预冷却管12之间。入口管105、出口管106和连接管108均由不锈钢制成。预冷却管12由铝制成，预冷却管15由铜制成。

现参照图5，冷却管164包括连接管166和转换管168。连接管166与第二再冷凝器16流体连通。转换管168流体连通于连接管166和预冷却液罐18之间。具体地，导热带96热耦合于连接管166和气罐46A之间，导热带98热耦合于连接管166和气罐46B之间。作为一个非限定的示例，连接管166由不锈钢制成，转换管168由铝制成。

请参阅图6，在一具体实施方式中，MRI磁体系统90还包括第二传感器202、控制器204和加热器206。第二传感器202设置于气罐46上，用于侦测气罐46的温度。如果侦测到的温度低于第二阈值温度，控制器204用于控制加热器206升高气罐46的温度；使得第一再冷凝器42可以冷凝更多的来自气罐46的气态氦，因此可以提供更多的液态氦以用于填充冷却液罐44。作为一个非限制性示例，第二阈值温度可以是50K。

因此，将会有较多的液态氦进入冷却液罐44，这有助于冷却超导主线圈26和超导反磁线圈56。在另一具体实施方式中，MRI磁体系统包括多个设置于气罐46上的第二传感器204。

现参照图7，第一再冷凝器42通过连接管422与冷却液罐44流体连通。在一具体实施方式中，连接管422由不锈钢制成。在其他的实施方式中，连接管422可以由碳化纤维或环氧树脂玻璃纤维制成。

连接管422用作热开关，其导通状态表示第一再冷凝器42与冷却液罐44热耦合，断开状态表示第一再冷凝器42与冷却液罐44热解耦。

其原因是，当第一再冷凝器42再冷凝来自气罐46的气态氦，并用液态氦填充冷却液罐44。由于液态氦流经连接管422，因此第一再冷凝器42与冷却液罐44热耦合。如果第一再冷凝器42处于关闭状态(例如，在保修期间)，第一再冷凝器42的温度高于冷却液罐44的温度，冷却液罐44与第一再冷凝器42之间不会有气态氦的对流，因此第一再冷凝器42与冷却液罐44热解耦。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明实施方式进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明实施方式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实施方式真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (13)

1.一种用于超导磁体的冷却系统，其特征在于，该冷却系统包括：

两个气罐；

第一再冷凝器，用于再冷凝来自至少一个气罐的第一气态制冷剂并提供用于冷却超导磁体的第一液态制冷剂；

至少一个制冷管；及

两个导热带，

其中，所述至少一个制冷管包括：

两个预冷却管，分别与热屏蔽罩和超导磁体热耦合；

入口管，流体连通于入口部和与超导磁体热耦合的预冷却管之间；

出口管，流体连通于出口部和与热屏蔽罩热耦合的预冷却管之间；及

连接管，流体连通于两个预冷却管之间，

其中，所述两个导热带中的一者的一端与所述入口管热接触，另一端与所述两个气罐中的一者热接触；所述两个导热带中的另一者的一端与所述出口管热接触，另一端与所述两个气罐中的另一者热接触。

2.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：所述预冷却管与超导磁体热耦合；

所述预冷却管包括入口部和出口部，该入口部延伸到热屏蔽罩的内部，用于引入第二液态制冷剂；该出口部延伸到热屏蔽罩的外部，用于释放第二液态或气态制冷剂。

3.如权利要求2所述的冷却系统，其特征在于：所述预冷却管穿过真空容器延伸到热屏蔽罩的内部。

4.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：所述入口管、出口管和连接管由不锈钢制成，与超导磁体热耦合的预冷却管由铝制成，与热屏蔽罩热耦合的预冷却管由铜制成。

5.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：所述至少一个制冷管包括至少一个冷却管；

其中，所述冷却系统还包括：

预冷却液罐；

第二再冷凝器，用于再冷凝第二气态制冷剂并提供第二液态制冷剂；所述至少一个冷却管流体连通于第二再冷凝器与预冷却液罐之间，流经至少一个冷却管的第二液态制冷剂用于填充预冷却液罐；

其中，该预冷却液罐与超导磁体热耦合。

6.如权利要求5所述的冷却系统，其特征在于：所述至少一个冷却管的热导率低于预冷却液罐的热导率。

7.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：所述冷却系统还包括：

多个磁体冷却管，与超导磁体热耦合；

至少一个冷却液罐；

连接管，流体连通于至少一个冷却液罐与第一再冷凝器之间；

其中，流经连接管的第一液态制冷剂用于填充至少一个冷却液罐；该多个磁体冷却管与至少一个冷却液罐流体连通。

8.如权利要求7所述的冷却系统，其特征在于：所述连接管用作热开关，其导通状态表示第一再冷凝器与冷却液罐热耦合，断开状态表示第一再冷凝器与冷却液罐热解耦。

9.如权利要求2所述的冷却系统，其特征在于：所述冷却系统还包括：

至少一个第一传感器，用于侦测超导磁体的温度；

泵，用于在该侦测温度低于第一阈值温度时，将每个预冷却管排空成为真空预冷却管。

10.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：所述冷却系统还包括：

至少一个第二传感器，用于侦测每个气罐的温度；

加热器；及

控制器，用于在该侦测温度低于第二阈值温度时，控制加热器增加每个气罐的温度。

11.一种磁体系统，其包括：

至少一个线圈支撑架；

超导磁体，设置于该至少一个线圈支撑架上；

两个气罐；

至少一个第一再冷凝器，用于再冷凝来自至少一个气罐的第一气态制冷剂并提供用于冷却超导磁体的第一液态制冷剂；

至少一个制冷管；及

两个导热带，

其中，所述至少一个制冷管包括：

两个预冷却管，分别与热屏蔽罩和超导磁体热耦合；

入口管，流体连通于入口部和与超导磁体热耦合的预冷却管之间；

出口管，流体连通于出口部和与热屏蔽罩热耦合的预冷却管之间；及

连接管，流体连通于两个预冷却管之间，

其中，所述两个导热带中的一者的一端与所述入口管热接触，另一端与所述两个气罐中的一者热接触；所述两个导热带中的另一者的一端与所述出口管热接触，另一端与所述两个气罐中的另一者热接触。

12.如权利要求11所述的磁体系统，其特征在于：所述预冷却管与至少一个线圈支撑架热耦合；

所述预冷却管包括入口部和出口部，该入口部延伸到热屏蔽罩的内部，用于引入第二液态制冷剂；该出口部延伸到热屏蔽罩的外部，用于释放第二液态或气态制冷剂。

13.如权利要求11所述的磁体系统，其特征在于：所述至少一个制冷管包括至少一个冷却管；

其中，所述磁体系统还包括：

设置于至少一个线圈支撑架上的预冷却液罐；

第二再冷凝器，用于再冷凝第二气态制冷剂并提供第二液态制冷剂；该至少一个冷却管流体连通于第二再冷凝器与预冷却液罐之间，流经至少一个冷却管的第二液态制冷剂用于填充预冷却液罐；

其中，该预冷却液罐与至少一个线圈支撑架热耦合。

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