CN106504847B - 低温保持器及其冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的低温保持器，包括第一壳体以及用于容纳冷却介质的罐体，所述第一壳体位于所述罐体的外侧，所述第一壳体与罐体之间为第一腔体，所述低温保持器还包括通管、导管，所述导管连接所述通管与所述罐体，所述通管固定于第一壳体，且通管的部分管壁为所述第一壳体的相应组成部分。与现有技术相比，本技术方案提供的低温保持器，其中屏蔽层具有单独的热交换腔体；磁体预冷时，通过往此腔体内注入液氦或液氮等冷却介质，可显著加快屏蔽层降温过程，节省预冷成本；磁体长途运输时，通过往屏蔽层腔体内注入液氮等冷却介质；或将液氦罐内蒸发出的冷氦气，通入屏蔽层腔体，可减缓屏蔽层的升温过程，延长运输时间。

Description

低温保持器及其冷却方法

本申请是于2015年02月03日提交中国专利局、申请号为201510054244.2、发明名称为“低温保持器及其制造方法、冷却方法，磁共振系统”的中国专利申请的分案。

技术领域

本发明涉及磁共振领域，尤其涉及一种磁共振系统用低温保持器及其冷却方法。

背景技术

在磁共振成像技术中，传统的超导磁体用液氦来冷却超导线圈，由于液氦的气化潜热很小，故需要漏热很小的低温保持器来盛装液氦，以减少液氦的损失。图1为传统超导磁体低温保持器结构，液氦1盛装在内层液氦罐2中，液氦罐2外布置有防辐射的热屏蔽层3，液氦罐2和屏蔽层3通过悬挂6吊装到外层真空筒4上。屏蔽层3和液氦罐2分别连接到制冷机5的一级制冷极7(温度为50K)和二级制冷极8(温度为4.2K)上。

由于屏蔽层3的温度分布直接影响其对内层液氦罐2的辐射漏热，系统预冷时，屏蔽层3应尽可能快地降低到50K；正常工作时，屏蔽层各处温度应尽可能低；而磁体运输状态下，由于制冷机5无法工作，这时则应保证屏蔽层温度不要升高过快。

但实际上，为了减少外部向屏蔽层3的热传导漏热，屏蔽层3与外真空筒4的悬挂6一般为细长结构，其与制冷机5的导热面积也有限制，这就导致了磁体预冷时，屏蔽层3的冷却只能依靠制冷机的一级制冷极7冷却，而该级制冷功率一般都很小，使得预冷效率很低，预冷时间长，需要的液氦多，成本高。

而磁体运输时，由于制冷机5停止工作，原本起制冷作用的一级制冷极7会变成导热的“桥梁”，使得屏蔽层温度迅速上升，其对液氦罐2的辐射显著增大，加快液氦的挥发，限制了运输时间和距离。

在正常工作状态，在屏蔽层3的远离一级制冷极7的一侧(图1中右下方)，温度会明显超过一级制冷极7的温度(50K)，这同时也会增加对液氦罐2的热辐射，影响系统的“零蒸发”性能。

如图2所示，US 4721934B展示了一种常见的降低屏蔽层3温度的方法，即在屏蔽层3的外层一周缠绕导热良好的铜管，可通过向铜管内注入冷介质(如液氮或液氦)，显著加快屏蔽层3的降温预冷过程；同时在运输时，可将液氦罐内部蒸发的冷氦气通入铜管，减缓制冷机5停止工作期间屏蔽层3的升温过程，延长磁体运输时间。但此方案要得到好的制冷效果，需布置复杂的铜管，同时铜管与屏蔽层3之间的热交换主要通过两者的接触导热完成，换热面积小，效率常受工艺条件影响。因此，有必要提出一种屏蔽层预冷效率更高的低温保持器。

发明内容

为了解决现有技术中磁共振系统屏蔽层预冷效果差的问题，本发明提供了一种屏蔽层预冷效率更高的低温保持器。

一种低温保持器，包括第一壳体以及用于容纳冷却介质的罐体，所述第一壳体位于所述罐体的外侧，所述第一壳体与罐体之间为第一腔体，所述低温保持器还包括通管、导管，所述导管连接所述通管与所述罐体，所述通管固定于第一壳体，且通管的部分管壁为所述第一壳体的相应组成部分。

优选地，所述通管至少有部分结构位于所述第一壳体的水平中心面的下方。

优选地，所述低温保持器还包括第二壳体，所述第二壳体位于第一壳体的外侧，且所述第一壳体、第二壳体之间为第二腔体。

优选地，所述罐体上设置有通孔，所述通管设置于所述通孔内，且通管的两端与第一壳体封闭固定。

优选地，所述导管包括第一导管，所述第一导管的一端与所述罐体内部连通，所述第一导管的另一端与所述通管内部连通。

优选地，所述导管还包括第二导管，所述第二导管的一端与所述通管内部连通，所述第二导管另一端与所述低温保持器外部连通。

优选地，所述罐体上设置有多个通孔，每个通孔内设置有通管，所有所述通管连通形成一个互通空间。

优选地，所述通管构成的互通空间的两端通过所述导管分别与所述罐体及所述低温保持器外部连通。

本发明还提供了一种低温保持器的冷却方法，所述低温保持器包括第一壳体以及用于容纳冷却介质的罐体，所述第一壳体位于所述罐体的外侧，所述第一壳体与罐体之间为真空腔，所述低温容器还包括通管、导管，所述通管的部分管壁与第一壳体的相应部分为共用结构，所述冷却介质依次沿导管、通管输送，并注入罐体内。

本发明还提供了一种低温保持器的冷却方法，所述低温保持器包括第一壳体以及用于容纳冷却介质的罐体，所述第一壳体体位于所述罐体的外侧，所述第一壳体与罐体之间为真空腔，所述低温保持器还包括通管、导管，所述导管连接通管与罐体，所述通管的管壁与第一壳体相融合，所述导管、通管形成用于冷却第一壳体的冷却路径，使冷却介质沿冷却路径传送时，与第一壳体直接接触。

与现有技术相比，本技术方案提供的低温保持器，其中屏蔽层具有单独的热交换腔体；磁体预冷时，通过往此腔体内注入液氦或液氮等冷却介质，可显著加快屏蔽层降温过程，节省预冷成本；磁体长途运输时，通过往屏蔽层腔体内注入液氮等冷却介质；或将罐体内蒸发出的冷氦气，通入屏蔽层腔体，可减缓屏蔽层的升温过程，延长运输时间。

附图说明

图1为现有技术中低温保持器的结构示意图；

图2为现有技术中中间屏蔽层降温装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的低温保持器以及超导线圈的纵剖面结构示意图；

图4为本发明实施例提供的低温保持的横剖面示意图；

图5为本发明实施例提供的低温保持器罐体通孔设置方式示意图；

图6为本发明实施例提供的低温保持器罐体通孔设置方式示意图；

图7为本发明另一实施例提供的低温保持器结构示意图；

图8为本发明实施例提供的磁共振系统图；

图9为本发明实施例提供的低温保持器的制造方法流程图；

图10为本发明实施例提供的低温保持器的制造方法流程图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。

如背景技术所述，磁共振系统中的低温保持器，在系统预冷时，屏蔽层应该尽可能快地降低到50K，现有技术采用在屏蔽层表面布置铜管的方式进行预冷，铜管与屏蔽层之间的热交换主要通过两者的接触导热完成，换热面积小，效率常受工艺条件影响，并且要得到好的制冷效果，需布置复杂的铜管。本发明提供了一种低温保持器，冷却剂直接与屏蔽层接触进行热交换，明显提高了预冷的效果。

如图3所示，低温保持器为传统的多层圆柱筒，包括外层真空筒301，所述外层真空筒301为第二壳体，中间屏蔽层302，所述中间屏蔽层302为第一壳体，内层罐体303，所述内层罐体303为用于容纳冷却介质的罐体。所述内层罐体303内部设置有超导线圈，并且所述超导线圈被冷却剂浸泡。目前最常用的冷却剂为液氦及液氮。在传统超导磁体中，所述超导线圈包括布置在两端凸起的外屏蔽线圈304以及靠近罐体内孔的内线圈305，所述外屏蔽线圈304的直径一般比内线圈305大很多，故内层液氦罐303内的两个外屏蔽线圈304之间有较大的空腔。

如图4所示，在所述内层罐体303上设置通孔306，所述通孔306穿过所述内层罐体303的空腔位置。所述通孔306的管壁为所述内层罐体303的一部分。

所述低温保持器还包括通管307，所述通管307设置于所述通孔306内，且通管307的两端与所述中间屏蔽层302封闭固定，因此所述通管307的管壁为所述中间屏蔽层302的一部分。在一个实施例中，所述通管307至少有部分结构位置所述中间屏蔽层302的水平中心面的下方。所述通管307的形状不限于图中的形状，可以为弯曲的管子，增大冷却剂与中间屏蔽层的热交换面积。

所述外层真空筒301至内层罐体303之间为真空腔。外层真空筒301与中间屏蔽层302之间为第一腔体，所述中间屏蔽层301与所述内层罐体303为第二腔体。实际上，所述通管307位置所述位于所述第一腔体与所述第二腔体之间。

如图4所示，所述低温保持器还包括第一导管308以及第二导管309。所述第一导管308的一端，在内层罐体303冷却液液面以上的位置，穿过中间屏蔽层302及内层罐体303，与内层罐体303内部连通；所述第一导管308的另一端穿过中间屏蔽层302与通管307封闭的位置与通管内部连通。

所述第二导管309的一端，穿过所述中间屏蔽层302与所述通管307封闭的位置，与所述通管307内部连通；所述第二导管309的另一端穿过外层真空筒301，与所述低温保持器外部连通。

需要说明的是，本发明设置于内层罐体的通孔以及设置于通孔内部的通管，不限于实施方式中的数量，可以有多个通孔，每个通孔设置有相应的通管，所述通管彼此连通，形成一个互通空间，导管分别从所述互通空间的两端与内层罐体及低温保持器连通。在一些应用环境下，也可以是在一个通孔中设置多个通管。

本技术方案也不限于上述通孔横向设置于内层罐体的方式。如图5所示，所述通孔还可以纵向设置与内层罐体的两侧封头之间(内层罐体是由前后两侧的封头以及内外两个筒体构成的)。若有多个通孔，如图5所示，所述通孔可以平行设置，另一方面，通孔的设置方式需要考虑加强筋的位置。所述通孔还可以设置倾斜设置于外侧筒体以及空腔之内，如图6所示，低温保持器有两个通孔，两个通孔设置于外筒体两侧倾斜方向上。在其他实施例中，所述通孔设置还可以一端设置于封头，另一端设置于筒体。

本技术方案中的导管不限于如图4中所述的两根导管，若有多个通孔以及通管，可以是每一个通管配备导管，形成一个单独的冷却回路。但导管的数量多了，除了布置复杂之外，还增加了对屏蔽层的热辐射，因此数量应当适中。由于通管以及导管在真空环境工作，因此其机械强度至少有1bar的压强。

为了增加中间屏蔽层302与冷却剂的热交换面积，如4图所示，所述通管307的直径一般比较大，大于第一导管308或者第二导管309的直径。如图7所示，为了增加与屏蔽层的热交换面积，本实施例还在所述通管307内部设置换热片310。所述换热片310固定于所述通管307的腔体内部(所述低温保持器的其余部分未标示，与图4一致)，加快了冷却剂与屏蔽层的热交换。

如图4所示，所述低温保持器，还包括制冷机311，所述制冷机311在内层罐体冷却液液面以上的位置，穿过外层真空筒301、中间屏蔽层302与内层罐体303，与所述内层罐体303的内部连通。所述制冷机311设置于所述内层罐体303冷却液液面以上位置的一侧。

参考图8，本发明提供了磁共振系统，所述磁共振系统采用上述的低温保持器。

所述磁共振系统还包括：设置于所述低温保持器内部的超导磁体40；梯度系统41，用于产生为磁共振信号进行空间定位的梯度磁场；射频系统42，用于使被检对象发生磁共振以及接受磁共振信号；控制系统43，用于控制所述超导磁体40、梯度系统41以及射频系统42进行磁共振扫描。

参考图9，本发明还提供了低温保持器的制造方法。所述低温保持器包括第一壳体以及用于容纳冷却介质的罐体，所述第一壳体位于所述罐体的外侧，所述低温保持器还包括通管、导管，所述通管包括通管本体与通管侧板，所述导管与所述通管以及罐体连通部。所述罐体包括前封头、后封头、内筒体及外筒体。所述低温保持器的制造方法包括如下步骤：

步骤S20，在罐体上设置通孔，所述通孔位于罐体外筒体之间或者封头之间或者封头与外筒体之间。

如上述所述，所述通孔可以设置于罐体的外筒体，也可以设置于罐体的前后两侧的封头，还可以设置于外筒体于封头之间。不管是什么设置方式，为了配合外筒体的形状，设置于外筒体的通孔端口为坡口。

步骤S21，在所述第一壳体与所述通孔两端对应的位置上设置两个端口，所述端口为第一壳体端口。

所述第一壳体靠近罐体，在所述第一壳体上设置与通孔两端对应的两个端口。

在一个实施例中，所述第一壳体端口的形状与所述通孔的端口形状一致。所述两个端口形成的柱状空间的直径要小于通孔的直径。

步骤S22，所述通管本体穿过所述第一壳体端口，设置于所述通孔内，封闭所述通管本体与所述第一壳体端口。

步骤S23，用所述通管侧板封闭所述通管。所述通管的管壁为所述屏蔽体的一部分。

步骤S24，用所述导管连通所述罐体、通管。

在一个实施例中，所述导管包括第一导管及第二导管；步骤S24具体包括：所述第一导管的一端，穿过第一壳体及罐体，与罐体内部连通，另一端穿过所述通管侧板与通管内部连通；所述第二导管的一端穿过所述通管侧板与通管内部连通，另一端与所述低温保持器外部连通。

参考图10，本发明还提供了另一所述低温保持器的制造方法，所述低温保持器包括第一壳体以及用于容纳冷却介质的罐体，所述第一壳体位于所述罐体的外侧，所述低温保持器还包括通管、导管，所述通管包括通管本体与通管侧板，所述导管与所述通管以及罐体连通，所述罐体包括前封头、后封头、内筒体以及外筒体；所述具体步骤包括：

步骤S50，在罐体上设置通孔，所述通孔位于所述外筒体之间或者封头之间或者外筒体与封头之间。

步骤S51，在所述第一壳体与所述通孔两端对应的位置上设置两个端口，所述端口为第一壳体端口；

步骤S52，封闭所述通管本体与所述通管侧板得到密封的通管，将所述通管穿过所述第一壳体端口，设置于所述通孔内，封闭所述通管与所述第一壳体端口。

本实施例与上一个实施例的区别就在于，本实施例预先封闭通管本体与通管侧板得到密封的通管；而在上一个实施例中，则是先将通管本体放置与筒通孔中，然后先与第一壳体端口封闭，之后再使用通管侧板封闭第一壳体端口以及通管。需要说明的是，步骤S51设置第一壳体端口与步骤S52封闭通管本体与通管侧板的先后顺序不限于上述。

步骤S53，用所述导管连通所述罐体、通管。

在一个实施例中，所述导管包括第一导管、第二导管，所述第一导管连通所述罐体与所述通管，所述第二导管连通所述通管与所述低温保持器的外部。

本发明还提供了一种低温保持器的冷却方法。所述低温保持器包括第一壳体以及用于容纳冷却介质的罐体，所述第一壳体位于所述罐体的外侧，所述第一壳体与罐体之间为真空腔。所述低温保持器还包括通管、导管，所述导管连接通管与罐体，所述通管的管壁与屏蔽体的屏蔽层的相应部分为共用结构。所述导管、通管形成用于冷却屏蔽体的冷却路径，使冷却介质沿冷却路径传送时，与屏蔽体的屏蔽层直接接触。所述冷却介质依次沿导管、通管输送，并注入罐体内。

如图4所示，磁体预冷时，通过输液口24向罐体内腔先后注入液氮和液氦冷介质，气化的液氮或液氦仍然有较低的温度，将先后经过第一导管、通管和第二导管，同时带走热量，最后通过出口25溢出。这种冷介质的内循环会加快屏蔽层3的冷却速度。同时，屏蔽层温度的降低会减少其对罐体2的辐射，进一步减少预冷时液氮和液氦的消耗量。也可直接同时通过输液口24和出口25向空腔注入冷介质预冷，这样屏蔽层可更快降温。

同理，磁体长途运输时，由于制冷机无法工作，罐体内的液氦会缓慢蒸发，但温度仍然较低。这时关闭磁体出气口，这些冷氦气将同预冷时一样，通过第一导管、通管和第二导管后溢出。相较于传统低温保持器，这种内循环会减缓屏蔽层的温度上升过程，减少对液氦罐的热辐射，进而减少液氦的蒸发，延长运输时间和距离。

对于超远距离运输，可预先在通管内注入液氮，其温度维持在70K；关闭第一导管与罐体内部连通的阀，则磁体运输时，外部对中间屏蔽层的漏热将首先蒸发通管内的液氮，中间屏蔽层温度上升速度减慢，运输时间进一步延长。

磁体正常工作状态下，关闭入口22或出口25，中间屏蔽层(通管)空腔内氦气循环终止。也可以预先将出口25与磁体二级制冷极8的冷凝口相连。

与现有技术相比，本发明提供的低温保持器具有以下有益技术效果：

第一，其中屏蔽层具有单独的热交换腔体；磁体预冷时，通过往此腔体内注入液氦或液氮等冷却介质，可显著加快屏蔽层降温过程，节省预冷成本；第二，磁体长途运输时，通过往屏蔽层腔体内注入液氮等冷却介质；或将罐体内蒸发出的冷氦气，通入屏蔽层腔体，可减缓屏蔽层的升温过程，延长运输时间；第三，由于用于容纳冷却介质的罐体的部分容积不需要填充冷却介质，在保证制冷介质液面高度的情况下，减少了冷却介质的使用量；第四，通孔以及通管的设计方式，提高了低温保持器壳体以及罐体的机械强度。本发明还提供了低温保持器的制造方法、冷却方法以及采用所述低温保持器的磁共振系统。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种低温保持器，包括第一壳体以及用于容纳冷却介质的罐体，所述第一壳体位于所述罐体的外侧，所述第一壳体与罐体之间为第一腔体，其特征在于，所述低温保持器还包括通管、导管，所述导管连接所述通管与所述罐体，所述通管固定于第一壳体，且通管的部分管壁为所述第一壳体的相应组成部分；

所述低温保持器还包括第二壳体，所述第二壳体位于第一壳体的外侧，且所述第一壳体、第二壳体之间为第二腔体；

所述罐体上设置有通孔，所述通管设置于所述通孔内，且通管的两端与第一壳体封闭固定；

所述导管包括第一导管，所述第一导管的一端与所述罐体内部连通，所述第一导管的另一端与所述通管内部连通；

所述导管还包括第二导管，所述第二导管的一端与所述通管内部连通，所述第二导管的另一端与所述低温保持器外部连通。

2.如权利要求1所述的低温保持器，其特征在于，所述通管至少有部分结构位于所述第一壳体的水平中心面的下方。

3.如权利要求1所述的低温保持器，其特征在于，所述罐体上设置有多个通孔，每个通孔内设置有通管，所有所述通管连通形成一个互通空间。

4.如权利要求3所述的低温保持器，其特征在于，所述通管构成的互通空间的两端通过所述导管分别与所述罐体及所述低温保持器外部连通。

5.一种低温保持器的冷却方法，所述低温保持器包括第一壳体以及用于容纳冷却介质的罐体，所述第一壳体位于所述罐体的外侧，所述第一壳体与罐体之间为真空腔，其特征在于，所述低温容器还包括通管、导管，所述通管的部分管壁与第一壳体的相应部分为共用结构，所述冷却介质依次沿导管、通管输送，并注入罐体内；

所述低温保持器还包括第二壳体，所述第二壳体位于第一壳体的外侧，且所述第一壳体、第二壳体之间为第二腔体；

所述罐体上设置有通孔，所述通管设置于所述通孔内，且通管的两端与第一壳体封闭固定；

所述导管包括第一导管，所述第一导管的一端与所述罐体内部连通，所述第一导管的另一端与所述通管内部连通；

所述导管还包括第二导管，所述第二导管的一端与所述通管内部连通，所述第二导管的另一端与所述低温保持器外部连通。

6.一种低温保持器的冷却方法，所述低温保持器包括第一壳体以及用于容纳冷却介质的罐体，所述第一壳体体位于所述罐体的外侧，所述第一壳体与罐体之间为真空腔，所述低温保持器还包括通管、导管，所述导管连接通管与罐体，其特征在于，所述通管的管壁与第一壳体相融合，所述导管、通管形成用于冷却第一壳体的冷却路径，使冷却介质沿冷却路径传送时，与第一壳体直接接触；

所述低温保持器还包括第二壳体，所述第二壳体位于第一壳体的外侧，且所述第一壳体、第二壳体之间为第二腔体；

所述罐体上设置有通孔，所述通管设置于所述通孔内，且通管的两端与第一壳体封闭固定；

所述导管包括第一导管，所述第一导管的一端与所述罐体内部连通，所述第一导管的另一端与所述通管内部连通；

所述导管还包括第二导管，所述第二导管的一端与所述通管内部连通，所述第二导管的另一端与所述低温保持器外部连通。