CN109820530B - 一种pet系统探测器的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种PET系统探测器的冷却系统，涉及医学影像设备技术领域，包括数个探测器模块，每个所述探测器模块包括数个并排的子模块，还包括设有输出口和输入口的冷液机、与冷液机输出口连接的进液总管、与冷液机输入口连接的排液总管、与进液总管连接的一级并联进液管路、与排液总管连接的一级并联排液管路；每个所述探测器模块包括一个连接所述一级并联进液管路和一级并联排液管路的冷却工位，每个所述子模块包括一个冷却子工位；所述冷却系统还包括设于每个所述冷却子工位上的微型电动调节阀、设于每个所述子模块中的温度传感器、以及与所述微型电动调节阀和温度传感器电连接的控制器。使子模块内的SiPM温度稳定，且所有子模块温度均匀。

Description

一种PET系统探测器的冷却系统

技术领域

本发明涉及医学影像设备技术领域，尤其涉及一种PET系统探测器的冷却系统。

背景技术

PET探测器相关性能对SiPM（硅光电倍增管）温度较为敏感，当SiPM温度高于某个值时，性能会随温度升高而急剧下降。而探测器内相关电子学器件通常具有较大的发热功耗，故需对PET探测器进行热管理，使探测器内所有SiPM温度控制在某个合理范围，并具有较好的均匀性。

由于PET系统通常包含几十个探测器模块，一个探测器模块又包含多个子模块，要将整个PET系统所有子模块的SiPM温度维持在一定范围并具有较好的均匀性，对于散热系统的设计具有相当大的挑战。

现有PET系统散热方案主要有两种方式，风冷和液冷。

风冷主要针对探测器电子学发热器件较为分散的情况，采用风扇对上部电子学电路板进行强制风冷散热。由于风冷散热效率相对较低，上部电子学电路板功耗较大，其温度仍旧会维持在较高水平，通常需要在晶体载板（内含SiPM）和上部电子学电路板之间设置隔热措施。即用风扇对电子学电路板进行散热的同时，尽量减少热量传导到晶体载板区域。

风冷存在的问题：

1、风冷对空间需求较大；

2、晶体载板和上部电子学电路板之间的隔热措施，需要拉开载板与前端板之间的距离，从而增加载板模拟信号传输到前端板过程中的损耗。

3、对于载板存在一定发热功耗的情况，在将上部电子学电路板热量隔离时，还需对载板进行散热，对空间需求进一步加大。

液冷主要针对探测器电子学发热器件较为集中的情况，比如采用ASIC的电子学方案。通常PET液冷系统的冷却液是由一个水泵供给，几十个探测器模块之间采用并联的管路设计，同一个探测器模块内各个子模块之间采用串联的管路设计。液冷系统可以快速高效地将电子学电路板产生的热量通过冷却液带走，甚至根据需要，还可将冷却液温度设定在环境温度以下，使SiPM温度低于环境温度，从而获得更好的系统性能。

普通液冷存在的问题：

1、由一个水泵供给几十个探测器模块的冷却液，各个探测器模块的冷却液流量可能存在不均匀，从而影响不同探测器模块之间的温度均匀性。

2、同一个探测器模块的各个子模块是串联管路，串联管路入口段附近的子模块温度会低于出口段附近的子模块温度，子模块之间的温度均匀性较差。

基于此，本申请人对此进行专门研究，开发出一种PET系统探测器的冷却系统，本案由此产生。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种PET系统探测器的冷却系统，使子模块内的SiPM芯片的温度稳定，同时保证整个PET系统所有子模块之间的温度均匀性。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种PET系统探测器的冷却系统，包括数个探测器模块，每个所述探测器模块包括数个并排的子模块，还包括设有输出口和输入口的冷液机、与冷液机输出口连接的进液总管、与冷液机输入口连接的排液总管、与进液总管连接的一级并联进液管路、与排液总管连接的一级并联排液管路；每个所述探测器模块包括一个连接所述一级并联进液管路和一级并联排液管路的冷却工位，每个所述子模块包括一个冷却子工位；

所述冷却系统还包括设于每个所述冷却子工位上的微型电动调节阀、设于每个所述子模块中的温度传感器、以及与所述微型电动调节阀和温度传感器电连接的控制器；所述温度传感器将检测到的温度信号传递给控制器，控制器通过将检测到的温度与设定温度比对处理后控制该子模块中的微型电动调节阀调节流量。

作为优选，所述各个探测器模块并排呈圆筒状分布；所述一级并联进液管路和一级并联排液管路均呈环状，分别位于探测器模块形成的圆筒两侧，所述一级并联进液管路上分布有数个进液口，所述一级并联排液管路上分布有数个排液口，每个所述冷却工位与相应的进液口和排液口连接。

作为优选，所述探测器模块包括子模块、依次固定于子模块的电路板上的缓冲垫、固定板。

作为优选，每个所述子模块依次包括电路板、载板和晶体，每个所述冷却工位包括二级并联进液管路和二级并联排液管路，所述二级并联进液管路与所述一级并联进液管路连接，所述二级并联排液管路与所述一级并联排液管路连接。

作为优选，所述冷却子工位包括液冷板，所述液冷板包括进液导管和排液导管，所述进液导管与所述二级并联进液管路连接，所述排液导管与所述二级并联排液管路连接，所述液冷板安装于所述电路板与载板之间。

作为优选，所述液冷板与电路板之间设有第一导热垫，所述液冷板与载板之间设有第二导热垫。

作为优选，每个所述冷却工位中，所述二级并联进液管路与一级并联进液管路之间设有电动调节阀，所述电动调节阀与所述控制器电连接。

作为优选，所述液冷板的进液导管和排液导管并排竖向设置，所述进液导管通过微型电动调节阀和第一弯头连接至二级并联进液管路的相应位置，所述排液导管通过连接头和第二弯头连接至二级并联排液管路的相应位置；所述二级并联进液管路离所述探测器模块的高度与二级并联排液管路离所述探测器模块的高度不同。

作为优选，所述第一导热垫与液冷板、电路板贴合紧密，所述第二导热垫与液冷板、载板贴合紧密，所述第一导热垫和第二导热垫采用导热凝胶垫。

作为优选，所述温度传感器设于载板上。

本发明的工作原理：电路板产生的热量，通过导热垫传递给液冷板，热量被流经液冷板的冷却液带走，同时液冷板的下表面通过导热垫与载板贴合紧密，使焊接在载板下表面的SiPM芯片温度受控于液冷板。载板上布置有温度传感器，其温度信号传递给控制器，控制器根据各子模块载板的温度与设定好的目标温度之间的偏差，将控制信号发送给各子模块中微型电动调节阀，调节进入该子模块的冷却液流量，因此通过冷却液流量的调节来实现各子模块温度的独立控制。

本发明能实现如下技术效果：

（1）通过二级并联管路的设计，根据载板上的温度传感器监测到的温度信号，实时独立调节流经各个子模块的冷却液流量，从而使子模块内的SiPM芯片温度稳定，维持在事先设定的温度值附近，保证整个PET系统所有子模块之间的温度均匀性。

（2）降温速度快效率高：通过安装于液冷板与电路板之间的紧密贴合的导热垫和安装于液冷板与载板之间的紧密贴合的导热垫，使载板和电路板上的热量能够快速传导至液冷板上，同时充分利用一块液冷板同时对载板和电路板进行降温，加快降温速度。

附图说明

图1为本实施例一种PET系统探测器的冷却系统的整体结构示意图；

图2为本实施例一种PET系统探测器的冷却系统的其中一个探测器模块的爆炸图；

图3为本实施例一种PET系统探测器的冷却系统的探测器模块的其中一个子模块的爆炸图。

标注说明：冷液机1、进液总管2、排液总管3、一级并联进液管路4、一级并联排液管路5、探测器模块6、二级并联进液管路61、二级并联排液管路62、微型电动调节阀63、连接头64、固定板65、缓冲垫66、子模块67、电路板671、第一导热垫672、第二导热垫673、液冷板674、载板675、晶体676、进液导管677、排液导管678、第一弯头68、第二弯头69、控制器7、电动调节阀8。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段及其所能达到的技术效果，能够更清楚更完善的揭露，兹提供了一个实施例，并结合附图作如下详细说明：

如图1和2所示，本实施例的一种PET系统探测器的冷却系统，包括数个探测器模块，每个探测器模块6包括数个并排的子模块67，还包括设有输出口和输入口的冷液机1、与冷液机1输出口连接的进液总管2、与冷液机1输入口连接的排液总管3、与进液总管2连接的一级并联进液管路4、与排液总管3连接的一级并联排液管路5；每个探测器模块6包括一个连接一级并联进液管路4和一级并联排液管路5的冷却工位，每个子模块67包括一个冷却子工位；冷却系统还包括设于每个冷却子工位上的微型电动调节阀63、设于每个子模块67中的温度传感器、以及与微型电动调节阀63和温度传感器电连接的控制器7，温度传感器将检测到的温度信号传递给控制器7，控制器7通过将检测到的温度与设定温度比对处理后控制该子模块67中的微型电动调节阀63调节流量。

冷却液从冷液机1的输出口流出，通过进液总管2流入一级并联进液管路4中，然后分流到各个探测器模块6的冷却工位中，经探测器模块6传热后的冷却液汇流到一级并联排液管路5中，再通过排液总管3流入冷液机1中，在冷液机1中经过换热器等设备将热量散发到空气中，本实施例的冷液机1可以设定输出冷却液的温度和流量，实现持续、循环冷却。本实施例通过二级并联进液管路61和二级并联排液管路62，根据温度传感器监测到的温度信号，实时独立调节流经各个子模块67的冷却液流量，从而使子模块67内的SiPM温度维持在事先设定的温度值附近，保证整个PET系统所有子模块67之间的温度均匀性。

如图1所示，本实施例优选的，各个探测器模块6并排呈圆筒状分布；一级并联进液管路4和一级并联排液管路5均呈环状，分别位于探测器模块6形成的圆筒两侧，一级并联进液管路4上分布有数个进液口，一级并联排液管路5上分布有数个排液口，每个冷却工位与相应的进液口和排液口连接。一级并联进液管路4和一级并联排液管路5均呈环状分布。冷却工位采用上述排列方式，同时采用一根含有数个进液口的一级并联进液管路4和一根含有数个排液口的一级并联排液管路5，适应探测器模块6的排列要求的同时，也使整个冷却系统结构紧凑，冷却液流量分布更加均匀。

如图3所示，本实施例优选的，探测器模块6包括子模块67、依次固定于子模块67的电路板671上的缓冲垫66、固定板65，子模块67的载板675上表面四个角布置有嵌入式螺母，螺钉穿过固定板65、水冷板、载板675固定，可以使子模块67固定在固定板65上，同时使子模块67内的各部件贴合紧密。

如图1和3所示，本实施例优选的，每个子模块67依次包括电路板671、载板675和晶体676，每个冷却工位包括二级并联进液管路61和二级并联排液管路62，二级并联进液管路61与一级并联进液管路4连接，二级并联排液管路62与一级并联排液管路5连接。冷却液通过二级并联进液管路61再次分流到各个子模块67，然后通过二级并联排液管路62将被传热后的冷却液集中回收至一级并联排液管路5，能实现子模块67内部持续、循环冷却。

如图3所示，本实施例优选的，冷却子工位包括液冷板674，液冷板674包括进液导管677和排液导管678，进液导管677与二级并联进液管路61连接，排液导管678与二级并联排液管路62连接，液冷板674安装于电路板671与载板675之间。采用液冷板674，分布在电路板671与载板675之间，增加冷却液在子模块67中发热部件——载板675与电路板671流动的面积，并且可以同时带走电路板671与载板675的热量，给电路板671和载板675一起降温，提高了冷却效率，冷却效果明显。

如图3所示，本实施例优选的，液冷板674与电路板671之间设有第一导热垫672，液冷板674与载板675之间设有第二导热垫673，电路板671与载板675均通过导热垫快速传递热量，即提高热量传递的速度，因此冷却速度加快。

如图2和3所示，本实施例优选的，每个冷却工位中，二级并联进液管路61与一级并联进液管路4之间设有电动调节阀8，电动调节阀8与控制器7电连接。电动调节阀8可以调节流入各个探测器模块6的冷却液流量，避免因不同模块进出口压差不同而使流量产生较大差异、个别探测器模块6流量太小不能满足后续二级管路的流量需求。

如图2和3所示，本实施例优选的，液冷板674的进液导管677和排液导管678并排竖向设置（在图2中表现为，导管向上），进液导管677通过微型电动调节阀63和第一弯头68连接至二级并联进液管路61的相应位置，排液导管678通过连接头64和第二弯头69连接至二级并联排液管路62的相应位置；二级并联进液管路61离探测器模块6的高度与二级并联排液管路62离探测器模块6的高度不同。第一弯头68的作用在于：将二级并联进液管与下方进液导管677连接时，使二级并联进液管不在进液导管677的正上方，而是偏移正上方；同理第二弯头69的作用在于：将二级并联排液管与下方排液导管678连接时，使二级并联排液管不在排液导管678的正上方，而是偏移正上方。同时，由于二级并联进液管路61离探测器模块6的高度与二级并联排液管路62离探测器模块6的高度不同，两者一上一下安装，可以是结构紧凑，安装方便。

如图2所示，本实施例优选的，第一导热垫672与液冷板674、电路板671贴合紧密，第二导热垫673与液冷板674、载板675贴合紧密，所述第一导热垫672和第二导热垫673采用导热凝胶垫，由于导热凝胶垫具有较好的弹性，能使其与电路板671和载板675贴合过盈，进一步增加热传导速度。

本实施例优选的，选用热电阻温度传感器并设于载板675上。控制温度主要是为了防止SiPM受到温度的影响，而载板675由于与SiPM直接基础，因此载板675的温度将直接影响SiPM，因此将温度传感器设于载板675上有助于直接探测载板675的温度后反馈，第一时间阻断载板675温度对SiPM的影响。

以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种PET系统探测器的冷却系统，包括数个探测器模块，每个所述探测器模块包括数个并排的子模块，其特征在于：还包括设有输出口和输入口的冷液机、与冷液机输出口连接的进液总管、与冷液机输入口连接的排液总管、与进液总管连接的一级并联进液管路、与排液总管连接的一级并联排液管路；每个所述探测器模块包括一个连接所述一级并联进液管路和一级并联排液管路的冷却工位，每个所述子模块包括一个冷却子工位；

所述冷却系统还包括设于每个所述冷却子工位上的微型电动调节阀、设于每个所述子模块中的温度传感器、以及与所述微型电动调节阀和温度传感器电连接的控制器；所述温度传感器将检测到的温度信号传递给控制器，控制器通过将检测到的温度与设定温度比对处理后控制该子模块中的微型电动调节阀调节流量；

所述各个探测器模块并排呈圆筒状分布；所述一级并联进液管路和一级并联排液管路均呈环状，分别位于探测器模块形成的圆筒两侧，所述一级并联进液管路上分布有数个进液口，所述一级并联排液管路上分布有数个排液口，每个所述冷却工位与相应的进液口和排液口连接；

所述探测器模块包括子模块、依次固定于子模块的电路板上的缓冲垫、固定板；

每个所述子模块依次包括电路板、载板、SiPM芯片和晶体，每个所述冷却工位包括二级并联进液管路和二级并联排液管路，所述二级并联进液管路与所述一级并联进液管路连接，所述二级并联排液管路与所述一级并联排液管路连接；

所述冷却子工位包括液冷板，所述液冷板包括进液导管和排液导管，所述进液导管与所述二级并联进液管路连接，所述排液导管与所述二级并联排液管路连接，所述液冷板安装于所述电路板与载板之间；

所述液冷板与电路板之间设有第一导热垫，所述液冷板与载板之间设有第二导热垫。

2.如权利要求1所述的一种PET系统探测器的冷却系统，其特征在于：每个所述冷却工位中，所述二级并联进液管路与一级并联进液管路之间设有电动调节阀，所述电动调节阀与所述控制器电连接。

3.如权利要求1所述的一种PET系统探测器的冷却系统，其特征在于：所述液冷板的进液导管和排液导管并排竖向设置，所述进液导管通过微型电动调节阀和第一弯头连接至二级并联进液管路的相应位置，所述排液导管通过连接头和第二弯头连接至二级并联排液管路的相应位置；所述二级并联进液管路离所述探测器模块的高度与二级并联排液管路离所述探测器模块的高度不同。

4.如权利要求1所述的一种PET系统探测器的冷却系统，其特征在于：所述第一导热垫与液冷板、电路板贴合紧密，所述第二导热垫与液冷板、载板贴合紧密，所述第一导热垫和第二导热垫采用导热凝胶垫。

5.如权利要求1所述的一种PET系统探测器的冷却系统，其特征在于：所述温度传感器设于载板上。