CN106575559A - 用于mri系统的超导磁体结构的冷却装置 - Google Patents
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Abstract
一种超导磁体结构，包括构成内部磁体结构(30)的多个轴向对准的超导内部磁体线圈(34)，以及多个超导外部线圈(32)，每个超导外部线圈具有比每个内部磁体线圈(34)的外直径更大的内直径。内部磁体结构封装在冷冻剂容器(12)内，并且外部线圈位于冷冻剂容器外部，与用于冷却外部线圈的冷却装置(36，38)热接触。
Description
为了能够充分冷却用于MRI系统的超导磁体结构，超导线圈通常在其沸点处至少部分地浸没在液体冷冻剂中。
这需要足够大的冷冻剂容器来保持磁体结构和液体冷冻剂。已知的冷冻剂容器的体积超过2000升，安装有磁体结构后具有1700升的自由空间。
由于冷冻剂容器必须在压力下含有冷冻剂蒸气，所以它被归类为压力容器，并且需要编码批准。该容器必须由选择较少的昂贵等级的材料制造。因此，如果冷冻剂容器可以制造得更小，则是有利的，因为冷冻剂容器的生产可以更便宜。
图1示出了包括冷冻剂容器12的低温恒温器的常规布置。冷却的超导磁体结构10设置在冷冻剂容器12内，其本身保持在外部真空室(OVC)14内。所示的布置示出了柱形磁体，其中多个超导线圈沿着轴线布置。在本文中，术语“轴向”将用于表示平行于该轴线的方向或轴线本身的方向，而术语“径向”将用于表示垂直于该轴线、在包含该轴线的平面中延伸的方向。在冷冻剂容器12与外部真空室14之间的真空空间中设置一个或多个热辐射屏蔽件16。在一些已知的布置中，低温制冷器17安装在制冷器筒(sock)15中，该制冷器筒位于为此目的而设置的转台18中，朝向低温恒温器的一侧。保持通路颈部(通气管)20的通路转台19安装在低温恒温器的顶部。还设置有较大孔径的骤冷路径(未示出)。该路径由骤冷阀(quench valve)或爆破隔膜(burst disc)封闭，当冷冻剂容器内的压力超过预定义极限时，该骤冷阀或爆破隔膜打开以允许冷冻剂流出。制冷器17提供主动制冷以冷却冷冻剂容器12内的冷冻剂气体，在一些布置中，通过将其再冷凝成液体来冷却冷冻剂气体。制冷器17还可以用于冷却辐射屏蔽件16。如图1所示，制冷器17可以是两阶段冰箱。第一冷却阶段热连接到辐射屏蔽件16，并且提供冷却到第一温度，通常在80-100K的范围内。第二冷却阶段将冷冻剂气体冷却到低得多的温度，通常在4-10K的范围内。再冷凝的液体冷冻剂通过管道23滴回到冷冻剂容器12中，该管道23连接制冷器筒15和冷冻剂容器12。
通常通过低温恒温器的主体向磁体10提供负电连接21a。正电连接21通常由穿过通风管20的导体提供。
超导磁体结构的典型设计具有不同直径的超导线圈。线圈布置成使得它们都与液体冷冻剂接触，以在操作期间提供有效的冷却。在上述冷冻剂容器中，典型的冷冻剂填充需要1200升液体冷冻剂的区域。
诸如氦之类的冷冻剂昂贵，并且在MRI系统的安装区域中的局部供应可能是不可靠的。氦是有限的资源，并且在诸如用于MRI设备的超导磁体的冷却之类的应用中的消耗意味着未来供应将变得更为稀缺和更昂贵。由于这些考虑，至少，将期望减少填充典型MRI系统的冷冻剂容器所需的冷冻剂的质量。
已经提出了用于冷却超导磁体的线圈的可替代布置，其涉及结合到磁体结构的一系列热交换器，但是不需要提供包围式冷冻剂容器。
在这种布置中，通过在与线圈热连接的一个或多个管中的冷冻剂的循环，从超导线圈传递热量。该布置通常被称为冷却回路。生产相对复杂，并且需要大量的部件和压力保持接头。
在这种布置中去除包围式冷冻剂容器导致其他问题，诸如在线圈上的梯度线圈感应的热负载，其通常已被冷冻剂容器拦截。
本发明提供了一种用于MRI系统的超导磁体结构的冷却装置，其解决了上述问题。它提供了更小的冷冻剂容器，降低了所需的冷冻剂的质量以及对梯度线圈感应的热负载的拦截。避免了常规冷却回路装置的复杂性。
因此，本发明提供如所附权利要求中限定的结构。
从下面结合附图的某些实施例的描述中，本发明的上述和进一步的目的、特征和优点将更加明显，其中：
图1示出了适用于MRI系统的常规超导磁体结构的示意图；
图2-5示出了根据本发明实施例的相应超导磁体结构的示意性轴向半剖面；
图6-8示出了根据本发明的各个实施例的超导磁体结构的示意性横截面。
在用于MRI磁体的典型超导磁体结构和本发明所述的结构中，“内部磁体”包括具有相似内径的多个轴向对准的线圈。这些线圈作为整体产生超导磁体结构的大部分磁场。这些线圈的内径整体上限定了磁体结构的内径，从而限定了完整的MRI系统中的患者孔的直径。
通常还设置有一个或多个较大直径的外部线圈。这些通常具有约束MRI系统外部的杂散场的任务，并且通常称为屏蔽线圈。
在典型的常规磁体系统中，包围式冷冻剂容器12包围屏蔽线圈和内部磁体两者。这需要大的冷冻剂容器，具有上述的伴随的缺点。
根据本发明，并且如图2所示，为内部磁体30和外部线圈32设置不同的冷却布置。由一组具有相似直径的线圈34组成的内部磁体30包含在冷冻剂容器12内。由于该冷冻剂容器12不需要容纳外部(屏蔽)线圈，因此冷冻剂容器12可以比常规的更小，意味着制造比传统的冷冻剂容器更便宜，并且需要较小质量的冷冻剂以将其填充到足以接触所有线圈的深度。本发明特别涉及柱形磁体结构，并且冷冻剂容器优选地包括柱形外壳，其包括通过环形端壁连接的内部柱形壁和外部柱形壁。环形端壁可以具有平坦表面。
根据本发明的特征，为外部(屏蔽)线圈32设置不同的冷却布置。该冷却装置不依赖于外部线圈32在冷冻剂浴中的部分浸入。在一个实施例中，如图2所示，外部(屏蔽)线圈由结合的热交换器36冷却。在所示的实施例中，这些热交换器包括冷冻剂路径38，其是用于承载液体或气体冷冻剂的循环以冷却外部线圈32的管。在所示的实施例中，热交换器36也是结构构件，其通过机械支撑结构40保持就位，该机械支撑结构40优选地安装在冷冻剂容器12上。冷冻剂容器12和机械支撑结构40由此将外部(屏蔽)线圈32保持在OVC内的适当位置。
由于冷冻剂容器12本身相对较小，诸如复合杆或带之类的支撑结构42可以比常规的更长，从而提高了冷冻剂容器12与外部真空容器14之间的支撑结构的热阻。事实上，发明人已经发现，考虑到杆的长度增加以及在低温温度下不锈钢的低热导率，不锈钢杆可以用作支撑结构42以将冷冻剂容器12保持在OVC 14内的适当位置，该低温温度诸如在使用氦冷冻剂的情况下为4K。
可以通过将它们的上端和下端连接到冷冻剂容器12上的相应位置来提供通过冷冻剂路径38的冷冻剂的循环，从而允许液体冷冻剂从冷冻剂容器的底部进入或接近冷冻剂容器的底部，并且允许冷冻剂蒸汽离开冷冻剂路径38并且在其上端处或附近返回到冷冻剂容器12。冷冻剂蒸汽将通过常规手段(诸如再冷凝制冷器17)在冷冻剂容器中冷却。
用于外部线圈的热交换器36可以由挤压铝制品或不锈钢结构形成。冷冻剂路径38可以设置为例如铝或不锈钢的挤压件(extrusion)的特征(feature)，或者可以由结合到可由铝或不锈钢的焊接件形成的支撑结构上的单独的管设置。
外部线圈32可以通过相应的热交换器在一侧或多侧上通过对其本身常规的布置(诸如通过螺栓连接或粘合)而保持在适当位置。类似地，内部磁体30可以通过任何常规手段组装。在有利的实施例中，线圈34可以在其径向内表面上结合到冷冻剂容器的孔管46，因为这将允许对于给定冷冻剂容器孔直径的超导线的最小消耗；或对于给定消耗的超导线材的最大可能的冷冻剂容器孔管直径。然而，可以使用其他组装方法和结构，诸如将线圈缠绕到保持在冷冻剂容器内的固体成型器中的凹部中。内部磁体的构造不构成本发明的一部分，并且可以使用任何合适的常规方法和布置。
参考图2描述的这种布置仅需要很少的压力保持接头，以便将外部线圈冷却热交换器冷冻剂路径38连接到内部磁体冷冻剂容器12。
由于本发明的冷冻剂容器12的较小体积，编码批准略微不太麻烦，因为较小的冷冻剂容器可以分类为比常规冷冻剂容器低的风险类别。这可以允许较低成本的编码批准。
冷冻剂容器的减小的尺寸还允许对冷冻剂容器的壁使用更薄的材料厚度，这降低了系统成本和重量。冷冻剂容器的相对低矮的端部(意味着冷冻剂容器的径向长度t与其直径相比较小)意味着可以使用平端壁48，与可用于常规冷冻剂容器的更复杂的端壁解决方案相比，减少了加工成本和材料交货时间。
冷冻剂容器可以由铝或不锈钢构成，尽管如对本领域技术人员将显而易见的，可以使用诸如复合材料之类的其他材料。
可替代地，平的端壁48所需的壁厚可以通过一些相对简单的成形工序(诸如旋转)或制作锥形端壁来减小。
在本发明的一个实施例中，填充冷冻剂容器12所需的液体冷冻剂的体积可以在100液体升的范围内。由于冷冻剂容器内的冷冻剂质量减少，骤冷管(未示出)可以制造得比现有系统更小——具有更小的直径和更薄的壁——这继而导致由于骤冷管而减少通过维修转台的热负荷。
梯度线圈与内部磁体30的相互作用类似于冷却剂容器中的常规磁体结构的情况。由于内部磁体30包含在冷冻剂容器12内，因此在4K的热屏蔽被认为是不必要的。这种屏蔽已经被提出用于不容纳在冷冻剂容器内的超导磁体结构。
图3示出了本发明的实施例的下半横截面。如图所示，电气端子和连接和开关50可全部容纳在内部磁体冷冻剂容器12中。它们应位于冷冻剂容器的底部或附近，以确保它们浸入液体冷冻剂中，以便最佳冷却，即使当冷冻剂容器12含有少量液体冷冻剂时。这对于引线稳定、接头冷却和电压击穿是有利的，因为端子、连接和开关的温度保持在冷冻剂容器中的冷冻剂的沸点。
图4示出了本发明的实施例的下半横截面，表示对图3的实施例的改进。不是简单地位于冷冻剂容器12的底部附近，而是在冷冻剂容器的底部处设置贮槽52，并且端子、连接和开关50位于该贮槽中。即使在冷冻剂容器12中的相对小体积的液体冷冻剂中，这也确保了端子、连接和开关的最佳冷却。然而，提供这种贮槽确实使得冷冻剂容器的制造相当复杂。
外部(屏蔽)线圈32可以电连接到冷冻剂容器12中的端子、连接和开关50。相应的引线可以布置在OVC内的真空空间中，并且可以附接到管道44，该管道44为热交换器36中的冷冻剂路径38与冷冻剂容器12之间的冷冻剂液体和蒸汽提供连通。这种附接将提供引线的冷却和热稳定。与冷冻剂容器中的端子、连接和开关的电连接将需要到冷冻剂容器12中的超导馈通，如本领域技术人员所熟悉的。
来自OVC通过悬挂布置42的热负荷可以被冷冻剂容器12和相关的低温制冷器拦截。如图2所示，这可以通过从OVC机械地悬挂42冷冻剂容器12并且从冷冻剂容器12机械地支撑40外部线圈32和相关联的热交换器36来实现。
由于所需的冷冻剂容器12显着小于现有技术的包围式冷冻剂容器，因此构造具有增加的压力公差的冷冻剂容器在经济上是可行的。这可以被发现例如对于成像期间的气体缓冲是有用的，也就是说，在图像捕获期间超导磁体中典型的增加的能量耗散是通过沸腾增加量的冷冻剂、在致冷剂容器内增加冷冻剂气体压力而由蒸发的潜热来消散的。一旦成像序列结束，低温制冷器将从冷冻剂容器中移除该多余的热量，将一些冷冻剂蒸气重新冷凝回液体。
如图5所示，可以在内部磁体30的垂直上方设置一个或多个附加的气体缓冲罐54，并且其通过连接管56与冷冻剂容器12连通以增加该气体缓冲效果。这种附加的气体缓冲罐54优选地安装在机械支撑结构40上，或者可以形成机械支撑结构的一部分。
图6示出了本发明的实施例的示意性横截面图。示出了服务转台58，其容纳低温制冷器17。低温制冷器17冷却例如通过管23与冷冻剂容器12的内部连通的热交换器(未示出)。冷冻剂蒸汽通过管23与热交换器接触，在那里被冷却并冷凝成液体。所得的液体冷冻剂通过管23滴回到冷冻剂容器12中。管23的水平限定了用于热交换器36中的冷冻剂路径38和冷冻剂容器12的最大填充水平60。当磁体在组装之后运输到其预期的安装地点时，通常通过允许其冷冻剂容器中的液体冷冻剂沸腾而冷运输。这将超导磁体保持在冷冻剂的沸点以一冷运送时间，其持续直到所有液体冷冻剂已经沸腾。
在本发明中，冷冻剂容器的体积显着减小。这将导致冷运送时间的相应减少。在如图6所示的实施例中，不可能过度填充冷冻剂容器以延长运送时间，因为最大冷冻剂填充水平由管23的水平确定。
然而，根据本发明的冷冻剂容器12的尺寸减小意味着需要减少量的用于填充的冷冻剂，并且这可能意味着将磁体结构在环境温度下运输以及在安装现场执行冷却是实用的建议。
图7示出了本发明的另一实施例的示意性横截面图。通过使用不同类型的制冷器接口，例如双重再冷凝冷头或硬接触冷头，通路转台58和相关联的冷冻剂制冷器17可以倒置。连通(在这种情况下是管23)在制冷器17上方的位置处通向冷冻剂容器12的内部，并且甚至可以在最顶部连接到冷冻剂容器，这意味着在致冷剂容器内的液体冷冻剂的最大液体填充水平60明显更高。可以将显着更多的液体冷冻剂放置在用于运输的冷冻剂容器中，因此延长了冷运输时间。
在这种布置中，管23在其顶部附近连接到冷冻剂容器12，但仍然允许转台58和制冷器17位于磁体结构的侧面上，这意味着系统的总高度由线圈32的高度确定。一种替代方案是将转台58放置在冷冻剂容器的顶部上，这将增加系统的总高度并限制可以安装该系统的位置。
在任何所描述的实施例中，内部磁体线圈34可以不完全浸入液体冷冻剂中，并且冷却外部(屏蔽)线圈32的冷冻剂管38将不填充有液体冷冻剂。然后，每个线圈的上部将由冷冻剂蒸汽冷却，如本身已知和常规的。在向连接到外部(屏蔽)线圈32的热交换器36提供冷却的冷冻剂管38中，管38中的液体冷冻剂的沸腾将产生更大体积的冷冻剂蒸气，其将向上流过冷冻剂管38进入冷冻剂容器12，而较冷的液体冷冻剂将在其下端进入每个冷冻剂管38。
在本发明的可替代实施例中，外部(屏蔽)线圈32可以通过到冷冻剂容器12的热链路而被传导冷却。这可以使用热汇流条、层压体或编织物来实现。
如图8中示意性地表示的，外部(屏蔽)线圈32可以附接到导热机械支撑结构62。该结构通过导热汇流条、编织物或层压体64与冷冻剂容器12热连接。为了最有效的冷却，导热汇流条、编织物或层压体64可以在液体冷冻剂的通常操作水平之下热连接和机械连接到冷冻剂容器12。
在其他实施例中，可以发现不需要在外部(屏蔽)线圈32周围提供导热机械支撑结构。以本身常规的一些其他方式机械地支撑外部屏蔽线圈并且将热链路(诸如一个或多个导热汇流条、编织物或层压体64)放置在外部线圈32与冷冻剂容器12之间可能便足够。在这种实施例中，外部线圈32的材料的导热性可以是足够的，以确保整个外部(屏蔽)线圈32的有效冷却。
诸如图8中所示的布置具有的优点是，不需要设置冷冻剂路径38并将其连接到冷冻剂容器12。通过冷却冷冻剂容器12的外部上或导热汇流条、编织物或层压体64上的电接头，可以减少或避免对电流馈通到冷冻剂容器12中的需要。
图7和图8中所示的实施例可以组合在以下实施例中，其中外部(屏蔽)线圈被传导冷却并且在冷却的热交换器与冷冻剂容器之间的连通23在制冷器17上方的位置处通向冷冻剂容器12的内部。
图7所示的实施例也可应用于如图1所示的常规的包围式冷冻剂容器，以实现更高的填充水平，而不需要增加系统高度。
Claims (16)
1.一种超导磁体结构，包括构成内部磁体结构(30)的多个轴向对准的超导内部磁体线圈(34)，以及多个超导外部线圈(32)，每个超导外部线圈具有比所述内部磁体线圈(34)中的每个内部磁体线圈的外直径更大的内直径，其特征在于
-所述内部磁体结构被包围在冷冻剂容器(12)内，并且所述外部线圈位于所述冷冻剂容器外部，与用于冷却所述外部线圈的冷却装置(36，38)热接触，其中用于所述外部线圈的所述冷却装置包括与相应的外部线圈热接触和机械接触的相应的热交换器(36)，每个热交换器设置有冷冻剂管(38)，每个冷冻剂管的上端和下端与冷冻剂容器(12)分别在所述冷冻剂容器的上端和下端处或附近连通。
2.根据权利要求1所述的超导磁体结构，其中所述冷冻剂管(38)被形成为挤压件的特征。
3.根据前述权利要求中任一项所述的超导磁体结构，其中所述热交换器(36)是通过安装在所述冷冻剂容器(12)上的机械支撑结构(40)保持就位的结构构件，并且其中所述热交换器将所述外部线圈(32)保持就位。
4.一种超导磁体结构，包括构成内部磁体结构(30)的多个轴向对准的超导内部磁体线圈(34)，以及多个超导外部线圈(32)，每个超导外部线圈具有比所述内部磁体线圈(34)中的每个内部磁体线圈的外直径更大的内直径，其特征在于
-所述内部磁体结构被包围在冷冻剂容器(12)内，并且所述外部线圈位于所述冷冻剂容器外部，与用于冷却所述外部线圈的冷却装置(36，38)热接触，其中用于所述外部线圈的所述冷却装置包括到所述冷冻剂容器(12)的热链路。
5.根据权利要求5所述的超导磁体结构，其中所述热链路包括热汇流条、层压体或编织物(64)。
6.根据权利要求4或5所述的超导磁体结构，其中所述外部线圈(32)附接到导热机械支撑结构(62)，所述导热机械支撑结构通过所述热链路热连接到所述冷冻剂容器(12)。
7.根据权利要求4或5所述的超导磁体结构，其中所述热链路将外部线圈(32)连接到所述冷冻剂容器(12)。
8.一种超导磁体结构，包括包围根据权利要求1所述的结构的外部真空容器(OVC)(14)。
9.根据权利要求8所述的超导磁体结构，其中所述冷冻剂容器(12)通过支撑结构(42)支撑在所述OVC(14)内，所述支撑结构包括不锈钢制杆或带。
10.根据前述权利要求中任一项所述的超导磁体结构，其中所述冷冻剂容器包括柱形外壳，所述柱形外壳包括通过环形端壁(48)连接的内柱形壁和外柱形壁，所述环形端壁是平面表面。
11.根据前述权利要求中任一项所述的超导磁体结构，其中电端子和连接和开关(50)容纳在所述冷冻剂容器(12)的底部处或附近。
12.根据权利要求11所述的超导磁体结构，其中在所述冷冻剂容器(12)的底部处设置有贮槽(52)，并且所述端子、连接和开关(50)位于该贮槽中。
13.根据权利要求11或12所述的超导磁体结构，其中所述外部线圈(32)电连接到所述冷冻剂容器(12)中的端子、连接和开关(50)。
14.根据权利要求8所述的超导磁体结构，其中所述冷冻剂容器(12)从所述OVC(14)机械地悬挂(42)，并且所述外部线圈(32)和相关联的热交换器(36)从所述冷冻剂容器(12)机械地支撑。
15.根据前述权利要求中任一项所述的超导磁体结构，还包括在所述内部磁体结构(30)垂直上方并通过至少一个连接管(56)与所述冷冻剂容器(12)连通的至少一个附加气体缓冲罐(54)。
16.一种超导磁体结构，包括冷冻剂容器(12)和容纳低温制冷器(17)的服务转台(58)，所述低温制冷器被布置成冷却与所述冷冻剂容器(12)的内部连通的热交换器，其特征在于，所述连通在所述冷冻器(17)上方的位置处通向所述冷冻剂容器的内部。
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