CN107991635A - 一种用于磁共振系统的冷却组件及磁共振系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及核医学成像技术领域，尤其涉及一种用于磁共振系统的冷却组件及磁共振系统，所述冷却组件包括：复数个冷却件，绕置于所述待冷却元件的外面；若干条管道，且至少有一条管道与一个冷却件连通；回收容器，与若干条所述管道连通；制冷装置，具有冷头及制冷极，设置在所述回收容器的上部。本申请能够节省液氦的注入量，从而降低磁共振系统的成本。

Description

一种用于磁共振系统的冷却组件及磁共振系统

技术领域

本申请涉及核医学技术领域，尤其涉及一种用于磁共振系统的冷却组件及磁共振系统。

背景技术

磁共振系统已广泛应用于医疗诊断领域，产生主磁场的超导磁体通常是在低温保持容器内注入大量液氦以浸泡超导线圈，使线圈保持低温超导状态。现有的超导磁体包括低温保持容器，其为多层容器，内层的液氦容器与线圈支架同轴心装配并固定，线圈支架由内线圈支架和外线圈支架同轴心装配而成，同时若干内线圈和外线圈分别缠绕或装配在内线圈支架、外线圈支架的线槽上。

为了保证超导线圈的正常工作，内层的液氦容器中灌注的液氦须达到一定的高度，以保证内线圈和外线圈不要出现大的温度梯度。但外线圈的直径一般比内线圈大很多，造成内线圈和外线圈之间形成较大的空腔，因此，液氦除了浸泡内线圈和外线圈外，还必须填充这部分空腔，从而增加了液氦的灌注量，而液氦为不可再生的稀缺资源，价格昂贵，显然，这种结构极大地影响了超导磁共振成像设备的成本。鉴于此，有必要对现有超导磁体冷却系统进行改进。

发明内容

本申请的第一方面提供了一种用于磁共振系统的冷却组件，所述磁共振系统包括低温保持容器，所述低温保持容器内收容有待冷却元件，所述冷却组件用于对所述待冷却元件冷却，所述冷却组件包括：

复数个冷却件，绕置于所述待冷却元件的外面；

若干条管道，且至少有一条管道与一个冷却件连通；

回收容器，与若干条所述管道连通；

制冷装置，具有冷头和制冷极，设置在所述回收容器的上部。

可选地，所述待冷却元件为超导线圈，且所述超导线圈与所述冷却件面接触。

可选地，所述冷却件具有中空的腔体，所述管道具有低端部和高端部，所述低端部与所述腔体连通，且所述管道的位置低于所述回收容器的内底面，或者与所述回收容器的内底面齐平。

可选地，所述低温保持容器设有内腔，所述冷却件、若干条所述管道、所述制冷装置的制冷极均设置于所述内腔内。

可选地，所述超导线圈包括内线圈和外线圈，所述内线圈形成第一环状结构，所述外线圈形成第二环状结构，且所述第一环状结构的半径小于所述第二环状结构的半径；所述外线圈至少包括两个，且所述回收容器设置在两个所述外线圈之间的空隙中。

本申请的第二方面提供了一种磁共振系统，包括：

低温保持容器，所述低温保持容器内设置有线圈支架，所述线圈支架具有复数个沿所述低温保持容器的轴向间隔布置的线圈槽，所述线圈槽内设置超导线圈；

冷却件，绕置于所述超导线圈的外面，且所述冷却件沿所述轴向上的尺寸大于或等于所述线圈槽沿所述轴向上的尺寸；

管道，具有低端部和高端部，且所述低端部与所述冷却件连接；

回收容器，设置于所述低温保持容器的内部，所述管道的高端部与所述回收容器连接；

制冷装置，具有冷头及制冷极，且该冷头及制冷极邻近于所述回收容器的上部。

可选地，所述冷却件具有中空的腔体，且所述腔体与所述管道连通。

可选地，所述冷却件与所述线圈支架将所述超导线圈封闭于所述线圈槽中。

可选地，所述低温保持容器内设置有线圈支架，所述线圈支架具有复数个沿所述低温保持容器的轴向间隔布置的线圈槽，所述线圈槽内设置有所述超导线圈。

可选地，所述冷却件沿所述轴向上的尺寸大于或等于所述线圈槽沿所述轴向上的尺寸。

本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：

本申请所提供的冷却组件，在待冷却元件的外周设置有冷却件，冷却件通过管道与回收容器连通，工作时，只需要管道内充满液氦，即能够通过冷却件对待冷却元件进行冷却，以保证待冷却元件的低温性能。显然，这种方式较直接将液氦充入空腔，能够节省液氦的注入量，从而降低超导磁共振系统的成本。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为本申请所提供的超导磁共振系统的一种具体实施例的结构示意图；

图2为本申请所提供的超导磁共振系统的一种具体实施例的局部结构示意图；

图3为本申请所提供的超导磁共振系统，介质通道的一种具体实施例的截面图。

附图标记：

10-低温保持容器；

11-内腔；

20-内线圈；

30-外线圈；

40-冷却件；

41-介质通道；

50-制冷装置；

51-冷头及制冷极；

60-回收容器；

61-开口；

62-内底面；

70-管道；

80-内线圈支架；

90-外线圈支架；

91-限位凸起；

911-倾斜面；

S-间隙。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。

如图1-3所示，本申请实施例提供了一种磁共振系统，包括低温保持容器10和冷却组件，低温保持容器10内收容有待冷却元件(如图中的内线圈20和外线圈30)，冷却组件用于对待冷却元件冷却。待冷却元件可以是超导线圈，当然，待冷却元件还可以是超导开关。

具体地，冷却组件包括复数个冷却件40、若干条管道70、制冷装置50和回收容器60，复数个冷却件40绕置于待冷却元件的外面，至少有一条管道70与一个冷却件40连通，且若干条管道70与回收容器60连通；制冷装置50具有冷头及制冷极51，冷头及制冷极51设置在回收容器60的上部。

上述冷却组件，在待冷却元件的外周设置有冷却件40，冷却件40通过管道70与回收容器60连通，工作时，只需要管道70内充满液氦，即能够通过冷却件40对待冷却元件进行冷却，以保证待冷却元件的低温性能。显然，这种方式较直接将液氦充入空腔，能够节省液氦的注入量，从而降低超导磁共振系统的成本。

冷却件40可设置成中空结构，即冷却件具有中空的腔体，该中空结构可用作介质通道41，用于冷却介质的流通，采用这种方式，使介质能够在冷却件40的内部进行流通，从而增加冷却件40的热交换效率。

待冷却元件为超导线圈，超导线圈可以呈环状结构，可选地，超导线圈可以包括内线圈20和外线圈30，二者均可以绕制而成，内线圈20形成第一环状结构，外线圈30形成第二环状结构，第一环状结构的半径小于第二环状结构的半径。各线圈(包括内线圈20和外线圈30)的表面可均设置有冷却件40，也就是说，既可以各线圈的外周设置有冷却件40，或者各线圈的内周设置有冷却件40，也可以在各线圈的外周和内周均设置有冷却件40，还可以沿低温保持容器10的轴向设置冷却件40。各冷却件40的介质通道41均与回收容器60连通，制冷装置50可设置在回收容器60的上部，并与回收容器60连通。其中，制冷装置50可以为制冷机或者冷凝器。

在一个实施例中，磁共振系统在超导线圈的外周设置有冷却件40，冷却件40内设置有介质通道41，超导线圈可与冷却件40面接触。工作时，向回收容器60内灌注介质，使各介质通道41内充满冷却介质，使各介质通道41内的冷却介质与回收容器60内的冷却介质进行循环，由于冷却件40与超导线圈热耦合，温度较低的冷却介质可通过热传递带走超导线圈上的热量，被加热的冷却介质回到回收容器60，通过制冷装置50冷却后再次进入介质通道41内进行循环。显然，这种结构能够对线圈进行冷却，以保证超导线圈的超导性能，较直接将冷却介质充入低温保持容器10的内腔11的空腔，能够节省介质的注入量，从而降低超导磁共振系统的成本。

上述冷却介质可以为氮或氦等冷却介质，这些冷却介质的气体在制冷装置50的作用下由气态变为液态，在介质通道41内流动的主要为液态的介质，当然也可能是混有气态的介质，液态的介质在流动过程中吸收线圈的热量，温度升高，甚至变为气态，回收至回收容器60内，经制冷装置50的冷头及制冷极51降温/冷却后，又变为液态进入介质通道41内进行循环。

磁共振系统的低温保持容器10为多层容器，其内层容器设有内腔11。超导线圈(包括内线圈20和外线圈30)、冷却件40以及回收容器60均收容于内腔11内，制冷装置50至少部分位于低温保持容器10的外部，也就是说，制冷装置50可以仅部分位于内腔11内，也可以全部或大部位于低温保持容器10的外部，只要制冷装置50的冷头及制冷极51与回收容器60连通即可。一种实施例中，低温保持容器的内腔11的容积为2000～3000L，现有的磁共振系统中，需要在内腔11内充入冷却介质，为了保证线圈的超导性能，内腔11介质的液位高度需要达到线圈最大直径的70％对应的高度位置，大概灌注的冷却介质的体积为1500L。而采用本申请的冷却组件，灌注大概100～500L的冷却介质，即可使冷却介质与各线圈均通过冷却件40接触，对线圈进行冷却，因此，本申请的冷却系统较现有的磁共振系统能够节省约60％～90％的冷却介质。

此外，长途运输过程中制冷装置50一般无法工作，此时需要在低温保持容器10内充装尽可能多的冷却介质以保持待冷却元件的低温，防止现场安装时待冷却元件升温超过70K(如果超过70k，需要重复预冷)。若采用填充等方式减少内腔11内冷却介质容积(即在内腔11内放置填充物，以占据内腔11的容积，进而减少内腔11内介质的注入量)的方案，由于充装的冷却介质明显减少，将极大地缩短“冷”运输的时间和距离。而本申请在长途运输时，仍能够保证内腔11的填充容积，可以充装较大量的低温介质，以适用于远程长途运输。

可选地，磁共振系统还包括线圈支架(如图1中的内线圈支架80和外线圈支架90)，线圈支架设置有线圈槽，待冷却元件设置于/容置在线圈槽内，冷却件40设置于线圈支架上，也就是说冷却件40通过线圈支架设置于待冷却元件的表面，通过设置线圈槽，使线圈容纳于线圈槽内，能够对线圈起到固定作用，防止线圈移动，且通过线圈支架将冷却件40设置于线圈的表面，避免了冷却件40直接与线圈固定对线圈造成的损伤。

为了方便装配，线圈支架可设置为环形结构，其外周面设置有线圈槽，线圈容纳于线圈槽内，冷却件40设置于线圈支架的外周面上，即冷却件40设置于线圈的外周。

其中，上述线圈可以为内线圈20和外线圈30，外线圈30设置于内线圈20的外周侧，二者可以同轴设置，此时，内线圈20和外线圈30的外周均设置有冷却件40。如图1所示，在外线圈30的外周设置有冷却件40，内线圈20的外周也设置有冷却件40。需要说明的是，内线圈20和外线圈30可以分别设置多个，且二者的数量可以相等，也可以不等，此时，每一个内线圈20和每一个外线圈30的外周均设置有冷却件40。相应地，线圈支架可以为内线圈支架80和外线圈支架90，外线圈支架90与内线圈支架80均设置有线圈槽，内线圈20设置于内线圈支架80的线圈槽；外线圈30设置于外线圈支架90的线圈槽；冷却件40通过内线圈支架80、外线圈支架90套设于内线圈20和外线圈30的外周。

可选地，冷却件40沿上述轴向上的尺寸大于或等于线圈槽沿上述轴向上的尺寸。进一步地，冷却件40封闭线圈槽的槽口，也就是说，冷却件40与线圈支架将超导线圈封闭于线圈槽中，如图2所示，冷却件40与线圈支架的外周面贴合，以使冷却件40还能够通过线圈支架与线圈槽内的线圈进行热交换。可选地，线圈支架的材料选择金属，如铜、铝合金等，以提高热传导效率。冷却件40与线圈支架可以间隙配合，即冷却件40的内径大于与之配合的线圈支架的外径；或者，冷却件40与线圈支架过盈配合。

上述冷却件40优选为连续环状，也可以是圆周方向上的不连续的分段子环状结构，每个子环状结构均具有介质通道，并分别与线圈接触，且各介质通道相互之间采用管路70连接。这种子环状结构单个体积小，加工更简单，成本更低。

上述整环/整圆的冷却件40可以直接套装到线圈外侧；分段子环状可以由螺钉或铆钉等紧固至线圈支架上，使其紧贴线圈表面，也起到类似加强筋的作用。

上述实施例中还包括导热胶，可选择为导热硅脂等材料，其具有良好的导热性能。由于上述冷却件40与线圈之间形成间隙S，导热胶填充于上述间隙S，使得冷却件40与线圈充分热接触，提高了线圈的冷却效率。还可以直接在间隙S中灌注环氧树脂等固化性材料，使得冷却件40与线圈充分接触的同时，还在一定程度上粘结固定。

通常，线圈包括多根线匝，在正常工作时具有较大的电流，线圈本身将受到较大的洛仑兹力作用，从而产生较大的周向应力(即所谓hoop stress)和轴向应力，单根线匝在大应力的作用下会有一定的位移(所谓coil move)，很多时候会导致线圈失超，甚至整个线圈被破环。

为了抑制线圈的移动，通常会采用向线匝灌注环氧树脂等材料的方法，将其粘接为一整体，如形成矩形截面的线圈。但上述采用铝合金材料的冷却件40的收缩率明显大于灌注了环氧树脂等材料的线圈的收缩率，故在低温下，冷却件40将从圆周方向上均匀抱紧线圈，这种抱紧力将极大地抵抗超导线圈的周向应力。

另一方面，当冷却件40与线圈槽及线圈通过其间隙S中填充的导热胶等材料进行粘接，或冷却件40与线圈支架采用前述过盈配合方式进行装配时，都将在线圈的轴线方向上产生一定的粘结力或者摩擦力，从而在一定程度上抵抗线圈轴向的电磁力。也就是说，本申请能有效地抑制线圈的位移，从而减少线圈失超的发生几率，提高系统的稳定性。

当然，也可以在冷却件40和线圈槽间额外布置轴向和周向的连接件，如销钉或螺钉等，甚至焊接，进一步提高冷却件40对线圈的约束作用，并提高传热效率。

在外线圈90至少设置有两个时，回收容器60可以设置于两个外线圈90之间。

在制冷装置50仅部分位于低温保持容器10的外部时，制冷极设置于内腔11内；具体地，回收容器60设有开口61，制冷装置50位于开口61的上方，这样，在灌注介质时，即使介质溅出或者溢出回收容器60，这些介质在内腔11内流动，对线圈起到一定的降温作用，当介质挥发时，制冷装置50也能够将其回收，将其降温，然后流至内腔11，或进入回收容器60内，显然，这些挥发的介质仍能够进行循环，从而提高介质的利用率。

另一种实施例中，制冷装置50的冷头及制冷极51与开口61密封连接，这种方式，不论冷头及制冷极51是否位于低温保持容器10内均可采用。可选地，冷头及制冷极51伸入回收容器60内，与开口61实现密封，采用这种方式，能够提高冷头51与开口61的密封性。

上述线圈呈环状结构，为了使线圈的各部分与冷却件40充分接触，冷却件40优选呈环状结构。可选地，冷却件40与线圈的外轮廓结构一致，即进一步地，超导线圈与冷却件40为面接触，以增加超导线圈与冷却件40的接触面积，提高二者热耦合的效率。超导线圈与冷却件40环面接触，以进一步提高冷却件40对线圈的冷却效果。

冷却件40的材料包括金属，如铜或铝合金，利用金属较好的导热性能，使介质与线圈的热交换效率提高，能够进一步提高介质对线圈的冷却效果。冷却件40可以通过铸造或者锻造工艺成型，也可以直接采用型材卷绕而成。通常，在基本成型后，再对其配合面进行精加工，以提高配合的精度。

管道70具有低端部和高端部，低端部与冷却件40连通(在冷却件40具有中空的腔体时，低端部与腔体连通)，高端部与回收容器60连通，且管道70的位置低于回收容器60的内底面，或者与回收容器60的内底面齐平，即在竖直方向上，管道70的位置不高于回收容器60的内底面。进一步地，各介质通道41通过管道70与回收容器60连通，可选地，各介质通道41先通过管道70互相连通，然后管道70再与回收容器60连通，以便于冷却介质在介质通道41内的流动。

一种实施例中，各介质通道41可以形成并联结构，然后再通过管道70与回收容器60连通，这种方式，进入各介质通道41的介质的温度基本一致，能够使各线圈的温度更均匀。当然，各介质通道41也可以形成串联结构，然后再通过管道70与回收容器60连通。

其中，各冷却件40上的介质通道41可以仅设有一个，也可以设有多个，且各冷却件40的介质通道41的数量可以相同，也可以不同，一种实施例中，至少一个冷却件40设置有多个介质通道41，通常，各冷却件40均设置有多个介质通道41，如图1所示，各冷却件40均设置有两个介质通道41，这种结构既能够减小各介质通道41的过流面积，增加介质流的流动性，在各介质通道41并联时，又能够尽可能使线圈的各处温度均匀。

进一步地，至少一个介质通道41呈环状结构，也就是说各介质通道41的结构可以不同，可以有的呈环状结构，有的呈其它结构，如直线结构、曲线结构，其中，直线结构沿沿低温保持容器10的轴向延伸。各介质通道41均呈环状结构，以使介质通道41能够更均匀地分布于线圈的表面，进而更均匀地对线圈进行冷却。

上述各介质通道41外表面的横截面可以为矩形结构或者圆形结构，可选地，至少一个介质通道41内表面的横截面为“热管”，典型的有锯齿形结构，即可以仅一个或者几个介质通道41内表面的横截面为锯齿形结构，其它介质通道41内表面或外表面的横截面为矩形结构、圆形结构或者其它结构；也可以所有介质通道41内表面的横截面为锯齿形结构，采用锯齿形结构，能够增加介质与冷却件的接触面积，从而提高热传递效率，更好地保持线圈的超导性能。其中，横截面指介质通道41沿垂直于介质流向的截面。

在同一个冷却件40内设置有多个介质通道41时，多个介质通道41可以相互连通，然后再与回收容器60连通；也可以互不连通，即各自分别与回收容器60连通。在同一个冷却件40内的多个介质通道41相互连通，且各介质通道41为环形结构时，各介质通道41可以形成螺旋结构，以简化管道70的数量。

可以理解地，回收容器60设有进口和出口，介质通道41通过管道70与该进口和出口连接，形成循环路径，各介质通道41、管道70、回收容器60形成了连通器，为了保证各介质通道41内的介质量，各管道70均不高出回收容器60的内底面62，以使各管道70低于回收容器60的最低液面，使介质通道41与管道70形成高度差，从而使冷却介质更易流入介质通道41内。

在制冷装置50的冷头51与回收容器60的开口61密封时，即制冷装置50、回收容器60、管道70以及介质通道41形成密封的连通器，所有的冷却介质均在此连通器内流动。正常工作情况下，只需要向连通器中充满冷却介质(冷却介质体积一般为100L左右)，就可保证各冷却件40和回收容器60达到较高的液位。冷却介质在介质通道41内流动，吸收冷却件40的热量，冷却件40与线圈及线圈槽紧密接触，从而有效地冷却线圈，即线圈由包围其自身的冷却件40、线圈槽进行传导冷却，使线圈的温度梯度均匀，保持超导态。此方案较现有技术的方案，可节省约90％的冷却介质充装量。

在制冷装置50插入回收容器60时，即制冷装置50的冷头51与回收容器60的开口61不密封，此时，制冷装置50、回收容器60、管道70以及介质通道41形成连通器，但该连通器不密封，在开口61处与内腔11连通。若向该连通器中充注冷却介质，一旦达到连通器的最高液面，冷却介质开始溢入内腔11；此时，可以充装500L额外的冷却介质，即可“浸没”内线圈20的底部；这些冷却介质可以进一步冷却线圈支架和线圈，并与连通器中的冷却介质共同冷却线圈，这样，线圈的温度梯度也将大大降低，从而更好地保持了线圈的超导态。此方案虽然在内腔11(除介质通道41的空间)内也充入了一部分介质，但液氦的液位高度仅为现有技术中内腔11中的介质的液位高度的30％，即能够节省约60％的介质充装量。

上述冷却结构常用但不限于冷却超导螺线管线圈，超导磁体内部需要浸泡冷却的各种元件均可采用这种方式进行冷却，比如超导开关等。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于磁共振系统的冷却组件，所述磁共振系统包括低温保持容器，所述低温保持容器内收容有待冷却元件，所述冷却组件用于对所述待冷却元件冷却，其特征在于，所述冷却组件包括：

复数个冷却件，绕置于所述待冷却元件的外面；

若干条管道，且至少有一条管道与一个所述冷却件连通；

回收容器，与若干条所述管道连通；

制冷装置，具有冷头及制冷极，设置在所述回收容器的上部。

2.根据权利要求1所述的用于磁共振系统的冷却组件，其特征在于，所述待冷却元件为超导线圈，且所述超导线圈与所述冷却件面接触。

3.根据权利要求1所述的用于磁共振系统的冷却组件，其特征在于，所述冷却件具有中空的腔体，所述管道具有低端部和高端部，所述低端部与所述腔体连通，且所述管道的位置低于所述回收容器的内底面，或者与所述回收容器的内底面齐平。

4.根据权利要求1所述的用于磁共振系统的冷却组件，其特征在于，所述低温保持容器设有内腔，所述冷却件、若干条所述管道、所述制冷装置的制冷极均设置于所述内腔内。

5.根据权利要求2所述的用于磁共振系统的冷却组件，其特征在于，所述超导线圈包括内线圈和外线圈，所述内线圈形成第一环状结构，所述外线圈形成第二环状结构，且所述第一环状结构的半径小于所述第二环状结构的半径；所述外线圈至少包括两个，且所述回收容器设置在两个所述外线圈之间的空隙中。

6.一种磁共振系统，其特征在于，包括：

低温保持容器，所述低温保持容器内设置有线圈支架，所述线圈支架具有复数个沿所述低温保持容器的轴向间隔布置的线圈槽，所述线圈槽内设置超导线圈；

冷却件，绕置于所述超导线圈的外面，且所述冷却件沿所述轴向上的尺寸大于或等于所述线圈槽沿所述轴向上的尺寸；

管道，具有低端部和高端部，且所述低端部与所述冷却件连接；

回收容器，设置于所述低温保持容器的内部，所述管道的高端部与所述回收容器连接；

制冷装置，具有冷头及制冷极，且该冷头及制冷极邻近于所述回收容器的上部。

7.根据权利要求6所述的磁共振系统，其特征在于，所述冷却件具有中空的腔体，且所述腔体与所述管道连通。

8.根据权利要求6所述的磁共振系统，其特征在于，所述冷却件与所述线圈支架将所述超导线圈封闭于所述线圈槽中。

9.根据权利要求6所述的磁共振系统，其特征在于，所述低温保持容器内设置有线圈支架，所述线圈支架具有复数个沿所述低温保持容器的轴向间隔布置的线圈槽，所述线圈槽内设置有所述超导线圈。

10.根据权利要求9所述的磁共振系统，其特征在于，所述冷却件沿所述轴向上的尺寸大于或等于所述线圈槽沿所述轴向上的尺寸。