CN111223631B

CN111223631B - 超导磁体冷却设备及磁共振成像设备

Info

Publication number: CN111223631B
Application number: CN202010033462.9A
Authority: CN
Inventors: 倪志鹏; 杨磊
Original assignee: Shenyang Advanced Medical Equipment Technology Incubation Center Co ltd
Current assignee: Neusoft Medical Systems Co Ltd
Priority date: 2020-01-13
Filing date: 2020-01-13
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2040-01-13
Also published as: CN111223631A

Abstract

本申请提供一种超导磁体冷却设备及磁共振成像设备。该冷却设备包括换热器；第一容器和第二容器；以及第一冷却回路，所述第一冷却回路连接所述换热器、所述第一容器和所述第二容器，所述第一冷却回路中的冷却介质与所述换热器热交换后顺次进入所述第一容器和所述第二容器，所述第一容器的高度低于所述第二容器的高度。该方案可以提高冷却介质的循环动力，提高冷却效果。另外，本申请中，第一冷却回路用于冷却超导磁体中的骨架和线包，换热管路通过换热器与第一冷却回路进行热交换，并且，换热管路通过制冷机冷却。

Description

超导磁体冷却设备及磁共振成像设备

技术领域

本申请涉及冷却技术领域，具体而言，涉及一种超导磁体冷却设备及磁共振成像设备。

背景技术

超导磁体是核磁共振成像设备中的核心部件，超导磁体是指低温下用具有高转变温度和临界磁场特别高的第二类超导体制成线圈的一种电磁体，超导磁体在工业和科研上的应用较为广泛。

超导磁体需要在液态氦温度下工作，超导磁体的低液氦冷却技术是指通过设置在超导绕组骨架上的氦管路对超导绕组线圈进行冷却的技术。通常情况下，首先利用制冷机将氦气液化，液体氦通过虹吸作用进入冷却循环回路，通过换热器将设置在超导绕组骨架上的氦管路冷却至5K以内，从而达到对超导绕组的线圈进行冷却的目的。

发明内容

本申请提供一种超导磁体冷却设备及磁共振成像设备，旨在提高冷却介质的循环动力。

具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：

一种超导磁体冷却设备，包括：

换热器；

第一容器和第二容器；以及

第一冷却回路，所述第一冷却回路连接所述换热器、所述第一容器和所述第二容器，所述第一冷却回路中的冷却介质与所述换热器热交换后顺次进入所述第一容器和所述第二容器，所述第一容器的高度低于所述第二容器的高度。

根据本申请的一个实施例，所述第一容器与所述第二容器沿竖直方向布置。

根据本申请的一个实施例，超导磁体包括主绕组和屏蔽绕组，屏蔽绕组包围主绕组，所述第一容器设置于主绕组与屏蔽绕组之间正下方的位置，所述第二容器设置于主绕组与屏蔽绕组之间正上方的位置。

根据本申请的一个实施例，所述第一冷却回路包括多条并行设置的冷却支路，所述多条冷却支路全部连接于所述第一容器与所述第二容器之间，分别冷却超导磁体的不同部位。

根据本申请的一个实施例，超导磁体包括主绕组和屏蔽绕组，屏蔽绕组包围主绕组，所述冷却支路包括并行设置的第一冷却支路、第二冷却支路、第三冷却支路和第四冷却支路，所述第一冷却支路用于冷却所述主绕组的左半周，所述第二冷却支路用于冷却所述主绕组的右半周，所述第三冷却支路用于冷却所述屏蔽绕组的左半周，所述第四冷却支路用于冷却所述屏蔽绕组的右半周。

根据本申请的一个实施例，所述冷却设备还包括单向阀，所述单向阀设置于所述第一冷却回路中，所述单向阀的通过方向与所述第一冷却回路中所允许的工作介质的流动方向一致。

根据本申请的一个实施例，所述单向阀设置在所述第一容器与所述第二容器之间的所述第一冷却回路上。

根据本申请的一个实施例，所述冷却设备还包括加热器和温控器，所述加热器设置在所述单向阀与所述第二容器之间，用于加热所述第一冷却回路，所述温控器用于控制所述加热器的通断。

根据本申请的一个实施例，以所述单向阀与所述第二容器的中间位置为参照位置，所述加热器设置在所述参照位置与所述第二容器之间。

根据本申请的一个实施例，所述冷却设备还包括第二冷却回路，所述第二冷却回路用于冷却超导磁体的开关和/或接头。

根据本申请的一个实施例，所述冷却设备还包括与所述第二冷却回路连接的导冷装置，所述超导磁体的开关和/或接头设置于所述导冷装置。

根据本申请的一个实施例，所述冷却设备还包括液氦和/或氦气，所述液氦和/或氦气作为冷却介质被填充在所述第二冷却回路中。

根据本申请的一个实施例，所述冷却设备还包括超过临界压力的超临界氦气，所述超临界氦气作为冷却介质被填充在所述第一冷却回路中。

一种磁共振成像设备，包括：

超导磁体，包括一个或多个超导绕组；以及

上述任一项所述的超导磁体冷却设备，所述冷却设备用于冷却所述超导绕组。

根据本申请的一个实施例，所述超导绕组包括环形骨架和超导线圈，所述超导线圈包覆于所述环形骨架的内部。

本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：

本申请提供了一种超导磁体冷却设备及磁共振成像设备，其中，在第一冷却回路中，第一容器作为低温冷却介质容器，第二容器作为高温冷却介质容器，且由于第一容器的高度低于第二容器的高度，第一容器内的冷却介质与第二容器内的冷却介质形成温度差、密度差和势差，由此可以加速实现热传递，增强对超导磁体的冷却效果。

附图说明

图1是本申请一示例性实施例示出的超导磁体和冷却设备的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“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。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”、“顶部”、“底部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，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，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

请参考图1，图1所示为本申请一示例性实施例示出的磁共振成像设备中超导磁体和冷却设备的示意图。

本申请提供了一种磁共振成像设备（以下简称成像设备），该成像设备包括超导磁体10和使用氦作为冷却介质的低温冷却设备20。

超导磁体10包括一个或多个超导绕组，超导绕组包括主绕组11和屏蔽绕组12。主绕组11水平放置，其限定了水平膛110，患者或其它成像对象插入水平膛110中用于MRI（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）检测。还可以提供移动式的卧榻或其它支撑物（未示出）搭载患者插入水平膛110内。主绕组11可以在水平膛110内的检测区域中产生静磁场（B₀），在一些实施例中，静磁场|B₀|可以是1.5特斯拉、3.0特斯拉、7.0特斯拉。屏蔽绕组12环绕于主绕组11的外侧，用于收容和边际化主绕组11产生的静磁场（B₀），同时可以屏蔽外界的电磁干扰。

主绕组11可以是一个或多个，当采用多个主绕组11时，多个主绕组11在水平方向（图1中垂直纸面方向）排布并依次串联，屏蔽绕组12的数量可以参照主绕组11的数量设置。

在一些实施例中，主绕组11包括环形骨架和设置于环形骨架的线包，环形骨架例如可以选用环绕水平膛110的铜或铜合金。如果环形骨架是导电的，则可以提供导热且电绝缘的间隔件（例如，玻璃纤维板），为环形骨架与线包提供电隔离。

本申请对主绕组11和屏蔽绕组12的绕线结构不做具体限定。例如，可以选用外绕线式绕组（线包设于环形骨架的外侧），或者采用内绕线式绕组（线包包覆于环形骨架的内侧）。然而，基于机械强度、重量、成本等因素，环形骨架所选用的材料往往与线包中超导线（例如纯铜或铜基材料）的材料有所不同，外绕线式绕组存在热导率低、环形骨架与超导线之间由于不同的收缩率产生间隙等缺陷，进而增大了热传递时的热阻，影响线包的换热，严重时可能导致超导线失超。

本申请中，为了克服上述缺陷，主绕组11和屏蔽绕组12均采用内绕线式绕组。具体的实施例中，环形骨架可以采用铝合金材料，在低温下，由铝合金材料制成的环形骨架产生收缩变形，并将包覆在内的线包抱紧，由此可以减小线包热传递的热阻，换热效果更优，且成本相对较低。当然，在其它一些示例中，环形骨架还可以采用黄铜或无氧铜材料。

请继续参考图1，超导磁体10通过以氦作为冷却介质的超导磁体冷却设备20（以下简称冷却设备）进行冷却。该冷却设备20包括制冷机21，制冷机21可以是任何能够用于冷却氦的低温制冷机，制冷机21的数量可以是一个或多个。制冷机21通过对冷却介质（例如，氦）的循环压缩和膨胀来进行操作，以实现对冷却介质的冷却。通常情况下，当设置有多个制冷机21时，二级制冷机往往处于比一级制冷机更低的温度。

该冷却设备20还包括换热器22、第一容器23、第二容器24以及第一冷却回路25，第一冷却回路25连接换热器22、第一容器23和第二容器24。在一些实施例中，换热器22可以采用与第一冷却回路25充分接近的任何配置，以实现从第一冷却回路25中较热的冷却介质到换热器22中较冷的冷却介质的高效的热传递。例如，换热器22可以包括外壳和内管，其中，第一冷却回路25与内管连接，换热器22中的冷却介质在包围内管的外壳中流动。进一步，为了获得较大的热传递效率，还可以逆流布置，即，内管中冷却介质的流动方向与外壳中冷却介质的流动方向相反。

换热器22通过换热管路220与制冷机21连接，使得经制冷机21冷却的冷却介质流入换热器22的外壳中。更确切的说，换热管路220用于冷却第一冷却回路25。在一些实施例中，冷却设备20中还可以配置有二级换热器260，二级换热器260可以对换热管路220中的冷却介质进行冷却。例如，换热管路220中的冷却介质为液氦，经过二级换热器260，可以将接交换后形成的氦气冷却成液氦。当然，冷却介质也可以是单相的氦气或者是液氦和氦气的两相混合物。在一些实施例中，二级换热器260可以是包括冷却翅片的换热器。

第一冷却回路25可以沿着超导磁体的环形骨架延伸，在一些实施例中，可以在环形骨架内设有冷却通道。在另外一些实施例中，第一冷却回路25还可以是缠绕在环形骨架上的氦管路。

第一冷却回路25中的冷却介质与换热器22进行热交换后，顺次进入第一容器23和第二容器24，然后再次进入换热器22，实现循环冷却。冷却介质从第一容器23流入第二容器24的过程中不断吸收主绕组11和屏蔽绕组12中的热量，由此实现超导磁体10的循环散热。

第一冷却回路25中的冷却介质与换热器22进行热交换后，首先进入第一容器23，此时，第一容器23内冷却介质的温度相对降低，密度相对较大，第一容器23为低温冷却介质容器。冷却介质在从第一容器23进入第二容器24的过程中，从超导磁体10中吸收了大量的热，温度升高，密度减小，因此，第二容器24内冷却介质的温度相对较高，第二容器24为高温冷却介质容器。第一容器23内的冷却介质与第二容器24内的冷却介质由此形成温度差和密度差，并且，由于第一容器23的高度低于第二容器24的高度，第一容器23与第二容器24之间还存在势差。在第一冷却回路25内，第二容器24内的高温冷却介质被温度较低的换热器22在热虹吸作用下抽出，并在换热器22内被冷却，形成较高密度的冷却介质，较高密度的冷却介质在重力作用下流回第一容器23，实现由温差、密度差和势差共同作用的热虹吸氦的循环。由于第一冷却回路25内的冷却介质存在温度差、密度差以及势差，在热虹吸作用下可以加速冷却介质的循环，提高冷却介质的循环动力，由此可以加速实现热传递，增强对超导磁体的冷却效果。

第二容器24可以设置于第一容器23的左上方、正上方或右上方。在图1所示出的实施例中，第一容器23与第二容器24沿竖直方向布置。具体而言，第一容器23设置在主绕组11与屏蔽绕组12之间正下方的位置，第二容器24设置在主绕组11与屏蔽绕组12之间正上方的位置，两者之间间隔180°，此位置处，第一容器23与第二容器24形成的势差相对较大。

第一冷却回路25可以包括多条并行的冷却支路，多条冷却支路可以分别冷却超导磁体10的不同部位，这样设置后，多条冷却支路就可以对超导磁体10的不同部位实现并行冷却，以缩短冷却时间和提高冷却效率。

第一容器23和第二容器24还具有分流作用，第一容器23和第二容器24设有多个接口，多个接口可以供与多条冷却支路连接，以实现冷却支路的并行设置。

具体而言，基于超导磁体10的结构，第一冷却回路25包括四条并列的冷却支路，分别为第一冷却支路250、第二冷却支路251、第三冷却支路252、第四冷却支路253。其中，第一冷却支路250从主绕组11的左侧连接第一容器23与第二容器24连接，用于冷却主绕组11的左半周，第二冷却支路251从主绕组11的右侧连接第一容器23与第二容器24连接，用于冷却主绕组11的右半周，第三冷却支路252从屏蔽绕组12的左侧连接第一容器23与第二容器24连接，用于冷却屏蔽绕组12的左半周，第四冷却支路253从屏蔽绕组12的右侧连接第一容器23与第二容器24连接，用于冷却屏蔽绕组12的右半周。图1中的箭头指向为第一冷却回路25中冷却介质的流向。

需要说明，冷却支路的具体布置方式不仅限于图1中所示出的，根据第一容器23与第二容器24在超导磁体10内位置的不同，围绕主绕组11的各冷却支路的长度可以有所不同，或者围绕屏蔽绕组12的各冷却支路的长度可以有所不同。

在一些实施例中，为了避免冷却介质逆向流动，该冷却设备20还可以包括单向阀26，单向阀26可以设置于第一冷却回路25中，单向阀26的通过方向设置为与第一冷却回路25中所允许的工作介质的流动方向一致，由此避免冷却介质在重力作用下逆向流动。

单向阀26可以设置在第一冷却回路25中连接第一容器23与第二容器24的路径中，由于第一冷却回路25在第一容器23与第二容器24之间处于上升段，相比于其它部位，冷却介质在此部位逆向流动的风险更大，因此，此位置设置单向阀26更加有利。单向阀26可以设置在第一容器23与第二容器24的中间位置（图1中所示出的位置），也可以设置在偏上位置或偏下位置。

在一些实施例中，考虑到第一容器23与第二容器24之间连接有多条并行的冷却支路，因此，可以选择性的在一些冷却支路上设有单向阀26。当然，也可以在每条冷却支路上均设置单向阀26，单向阀的具体结构和型号不限，例如可以选用特斯拉阀或流阻较小的其它类型的单向阀。

该冷却设备20还可以包括加热器27和温控器（图中未示出），其中，加热器27设置在单向阀26与第二容器24之间，用于加热单向阀26与第二容器24之间的第一冷却回路25。温控器用于控制加热器27的通断，避免冷却介质的温度影响超导磁体10的稳定性。

第一冷却回路25中的冷却介质通过加热器27主动加热后温度升高，密度减小，因此增加了冷却介质从第一容器23上升至第二容器24的上升速度，实现了对冷却介质流向的主动控制。在一些实施例中，当超过临界压力的超临界氦气作为冷却介质填充于第一冷却回路25时，由于超临界氦气的流向具有不确定性，通过加热的方式可以改变超临界氦气的温度和密度，加速冷却介质的上升，对第一冷却回路25中的冷却介质起到了导流作用，实现了对冷却介质流向的主动控制。

更好的方案是将加热器27设置在单向阀26的出口侧，当冷却介质被加热器27加热，由于冷却介质温度和密度的变化，可以实现产生向第二容器24内抽气的效果，该效果在以超临界氦气作为冷却介质时更为显著。在一些实施例中，可以与单向阀26与第二容器24的中间位置为参照位置，加热器27可以设置在参照位置与第二容器24之间，即，设置在与竖直线呈0~45°范围以内的区域。

加热器27的具体形式不限，加热器27可以与温控器设置成一体式结构。需要说明，第一冷却回路25中通过加热获得的热量最终将被制冷机21带走，且加热的热量也不应大于制冷机21的冷凝余量。

一些实施例中，第一冷却回路25中可以填充液氦与氦气的两相混合物，本示例中，采用超临界氦气作为冷却介质，被填充在第一冷却回路25中。氦气的临界压力为0.227Mpa，这里所说的“超临界氦气”指的是压力大于0.227Mpa的氦气，超临界氦气的压力上限值以工程上能够实现为准。

一方面，采用本申请提供的冷却设备20，并且采用超临界氦气作为第一冷却回路25中的冷却介质时，当超临界氦气从第一容器23流向第二容器24时，与超导磁体热交换后温度逐渐升高，密度逐渐减小，上浮力使得超临界氦气在第一冷却回路25中不断向上攀升，当与换热器22进行热交换后冷却，超临界氦气冷凝，温度下降，密度增大，并在重力作用下自然的向下流动，由此可知，超临界氦气可以在提高循环动力以及控制流向方面能发挥更优的作用。

另一方面，采用超临界氦气作为冷却介质，还可以改善换热气堵的问题，减小由此带来的管路布置的局限性以及超导磁体10的高度等方面的问题。

需要说明的是，采用超临界氦气作为第一冷却回路25中的冷却介质时，在实际应用场景中，也不排除在第一冷却回路25内有少量液态氦存在的可能。

请继续参考图1，该冷却设备20还包括第二冷却回路29，第二冷却回路29用于冷却超导磁体10的开关和接头。超导磁体10的开关和接头具有导电性，且要求电阻较小，通过冷却介质冷却后，有利于超导磁体10的稳定性。

一些实施例中，冷却设备20还包括导冷装置290，第二冷却回路29连接导冷装置290，导冷装置290供冷却介质通过，超导磁体10的开关和接头设置于该导冷装置290，以实现换热。第二冷却回路29中可以填充液氦、氦气中的任意一种或两者的混合物。

本申请提供的冷却设备20，不仅可以对低温超导磁体进行冷却，还可以对高温超导磁体进行冷却，低温超导磁体与高温超导磁体的区别在于超导磁体的材料不同，需达到冷却温度不同。高温超导磁体的冷却温度高于低温超导磁体的冷却温度，约为20k左右。因此，在实际应用场景中，本申请提供的冷却设备20更多的应用在低温超导磁体的冷却场景中。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims

1.一种超导磁体冷却设备，其特征在于，包括：

换热器（22）；

第一容器（23）和第二容器（24）；以及

第一冷却回路（25），所述第一冷却回路（25）连接所述换热器（22）、所述第一容器（23）和所述第二容器（24），所述第一冷却回路（25）中的冷却介质与所述换热器（22）热交换后顺次进入所述第一容器（23）和所述第二容器（24），整个所述第一容器（23）的高度低于整个所述第二容器（24）的高度，

所述第一冷却回路（25）包括多条并行设置的冷却支路，所述多条冷却支路全部连接于所述第一容器（23）与所述第二容器（24）之间，分别冷却超导磁体（10）的不同部位。

2.根据权利要求1所述的超导磁体冷却设备，其特征在于，所述第一容器（23）与所述第二容器（24）沿竖直方向布置。

3.根据权利要求2所述的超导磁体冷却设备，其特征在于，超导磁体（10）包括主绕组（11）和屏蔽绕组（12），屏蔽绕组（12）包围主绕组（11），所述第一容器（23）设置于主绕组（11）与屏蔽绕组（12）之间正下方的位置，所述第二容器（24）设置于主绕组（11）与屏蔽绕组（12）之间正上方的位置。

4.根据权利要求1所述的超导磁体冷却设备，其特征在于，超导磁体（10）包括主绕组（11）和屏蔽绕组（12），屏蔽绕组（12）包围主绕组（11），所述冷却支路包括并行设置的第一冷却支路（250）、第二冷却支路（251）、第三冷却支路（252）和第四冷却支路（253），所述第一冷却支路（250）用于冷却所述主绕组（11）的左半周，所述第二冷却支路（251）用于冷却所述主绕组（11）的右半周，所述第三冷却支路（252）用于冷却所述屏蔽绕组（12）的左半周，所述第四冷却支路（253）用于冷却所述屏蔽绕组（12）的右半周。

5.根据权利要求1至4任一项所述的超导磁体冷却设备，其特征在于，所述冷却设备（20）还包括单向阀（26），所述单向阀（26）设置于所述第一冷却回路（25）中，所述单向阀（26）的通过方向与所述第一冷却回路（25）中所允许的工作介质的流动方向一致。

6.根据权利要求5所述的超导磁体冷却设备，其特征在于，所述单向阀（26）设置在所述第一容器（23）与所述第二容器（24）之间的所述第一冷却回路（25）上。

7.根据权利要求5所述的超导磁体冷却设备，其特征在于，所述冷却设备还包括加热器（27）和温控器，所述加热器（27）设置在所述单向阀（26）与所述第二容器（24）之间，用于加热所述第一冷却回路（25），所述温控器用于控制所述加热器（27）的通断。

8.根据权利要求7所述的超导磁体冷却设备，其特征在于，以所述单向阀（26）与所述第二容器（24）的中间位置为参照位置，所述加热器（27）设置在所述参照位置与所述第二容器（24）之间。

9.根据权利要求1至4、6至8任一项所述的超导磁体冷却设备，其特征在于，所述冷却设备（20）还包括第二冷却回路（29），所述第二冷却回路（29）用于冷却超导磁体（10）的开关和/或接头。

10.根据权利要求9所述的超导磁体冷却设备，其特征在于，所述冷却设备（20）还包括与所述第二冷却回路（29）连接的导冷装置（290），所述超导磁体（10）的开关和/或接头设置于所述导冷装置（290）。

11.根据权利要求9所述的超导磁体冷却设备，其特征在于，所述冷却设备（20）还包括液氦和/或氦气，所述液氦和/或氦气作为冷却介质被填充在所述第二冷却回路（29）中。

12.根据权利要求1至4、6至8任一项所述的超导磁体冷却设备，其特征在于，所述冷却设备（20）还包括超过临界压力为0.227Mpa的超临界氦气，所述超临界氦气作为冷却介质被填充在所述第一冷却回路（25）中。

13.一种磁共振成像设备，其特征在于，包括：

超导磁体（10），包括一个或多个超导绕组；以及

权利要求1至12任一项所述的超导磁体冷却设备，所述冷却设备（20）用于冷却所述超导绕组。

14.根据权利要求13所述的磁共振成像设备，其特征在于，所述超导绕组包括环形骨架和超导线圈，所述超导线圈包覆于所述环形骨架的内部。