CN114068132B

CN114068132B - 基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置

Info

Publication number: CN114068132B
Application number: CN202111202096.6A
Authority: CN
Inventors: 高而震; 董振斌
Original assignee: Time Medical Jiangsu Co ltd
Current assignee: Time Medical Jiangsu Co ltd
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2041-10-15
Also published as: CN114068132A

Abstract

本发明公开了基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置，包括低温系统的制冷机和冷头，冷头还包括向超高场磁体端依次延伸的一级冷头和二级冷头，与超高场磁体的室温外壳之间连接有冷凝器；冷凝器包括液氮冷凝和液氦冷凝两个部分；这两个部分都置于冷凝器的不锈钢制室温外壳的密封真空空腔内；一级冷头与冷凝器冷屏筒的顶部连接，并与液氮循环冷却筒和冷凝器冷屏筒围成循环冷却内腔即氮气液化腔；液氦冷凝部分包括二级冷头和液氦液化器；二级冷头贯穿并置于液氮循环冷却筒内，底部置于氦气液化腔内；氦气液化腔连接至磁体的液氦容器。本发明有效地避免了液氦和液氮的挥发，可以节约人工和材料，频谱分析的精确度不受冷头振动的影响。

Description

基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置

技术领域

本发明涉及技术领域，特别是涉及基于液氦和液氮双循环制冷的核磁共振超高场磁体冷头装置。

背景技术

核磁共振波谱仪由磁体和波谱分析系统组成。为了提高灵敏度和分辨率，磁体通常选用超高场（等于或高于7特斯拉）的超导磁体。这种磁体的超导线圈绕组必须在极低温的环境中才能保持超导状态，进而产生极其稳定和均匀的磁场。磁共振波谱用超高场超导磁体通常有一个直立的圆柱体结构,如图一所示。该圆柱结构有一个同轴的圆柱体空间作为样品区。磁体的外形和内部大体呈旋转体结构，其中包括处于室温的磁体外壳，此外壳内部的低温冷屏，此冷屏内部的液氦杜瓦，此杜瓦内部的超导磁体线圈。

超导磁体线圈用于产生高强度高稳定性和高均匀性的磁场，必须保持持久稳定的超导和低温状态。所以磁体线圈被浸泡在低温杜瓦的液氦容器的液氦里，保持4.2K的极低温下。为了有效的阻止外界的热通过传导，对流，或辐射传导至液氦杜瓦而导致液氦的蒸发，超导线圈和杜瓦的低温容器必须放在真空腔和其中的防辐射的冷屏和多层防热辐射薄膜包裹的内部。真空由杜瓦的室温容器维持。但是，无论多好的低温系统也不能完全消除外界的热进入液氦容器，所以液氦和液氮都会缓慢地挥发，以保持系统的低温状态。液氦的氦元素在地球上是不可再生的稀缺性资源，价格很贵，而且逐年提升。为了减少或避免液氦的挥发，在一些应用场景，如磁共振成像系统里（中国专利申请CN102323557A），是利用低温制冷机将挥发的氦气液化并回到磁体的液氦杜瓦内。

然而，在超导磁体线圈工作时，因为谱仪的分辨率很高，制冷机的振动将被传播到谱仪采样分析部分，产生噪声，无法分析，在磁共振成像系统里采用的低温冷头制冷技术不适合于磁共振频谱仪系统。在现有技术中，中国专利申请CN102323557A-超导磁体用减振型冷头容器，公开了超导磁体在制冷过程一级制冷和二级制冷、减震波纹管、冷凝器配合，以实现对制冷机冷头的减震，其起到一定的减震效果，但是由于其制冷机冷头和磁体之间是固定安装和接触的，减震效果不符合磁共振频谱仪系统的要求。

故而，现有技术存在的技术问题是：如何兼顾制冷机冷头的持续制冷功能，实现零液氮和液氦挥发量，以及磁体需要的高度机械稳定性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种将液氦和液氮引入冷凝器内部，通过置于冷凝器内部的冷头的一级冷头以及二级冷头进行液化，而且使用液氮循环冷却筒以及冷凝器冷屏筒分隔出独立的氮气液化腔以及氦气液化腔，进行独立液化、独立返回其对应的液氮容器以及液氦容器，实现了氮气和氦气的液化循环使用；同时利用柔软的焊接波纹管，使氦气和氮气有效地封闭在各自的空间里，不致流失。

本发明所采用的技术方案是：

基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置，包括一端连接制冷机的冷头，

所述冷头，还包括另一端向超高场磁体端依次延伸的以及一级冷头和二级冷头，与超高场磁体的室温外壳之间连接有冷凝器；

所述冷凝器，包括冷凝壳体，以及置于冷凝壳体内向液氦容器延伸的冷凝器冷屏筒；

所述一级冷头，与冷凝器冷屏筒的顶部之间连接液氮循环冷却筒，并且与液氮循环冷却筒的内壁和冷凝器冷屏筒的内壁围成循环冷却内腔；

所述液氮循环冷却筒，具有通过氮气循环交换管与超高场磁体的氮气注入口连接的氮气液化腔；

所述二级冷头，贯穿并且置于液氮循环冷却筒内，底部通过连接冷凝片结构围成氦气液化腔，并且将氦气液化腔通过氦气循环交换管连接至超高场磁体的液氦容器。

优选地，所述液氮循环冷却筒，外壁与冷凝器冷屏筒外壁和冷凝壳体内壁、一级冷头之间围成循环冷却外腔，与围成循环冷却内腔一共形成内外两层循环冷却腔，提升了冷凝器的循环保温以及性能，节省能耗。

优选地，所述液氮循环冷却筒，还具有循环外筒和循环内筒，以及在循环外筒和循环内筒之间围成的密闭的氮气液化腔。

优选地，所述氮气循环交换管，连接在液氮循环冷却筒的循环内筒内部，外侧自循环外筒内部开始设氮气循环交换外管。

优选地，所述氮气循环交换管与氮气循环交换外管和氮气注入口之间还连接氮通道隔振波纹管。

优选地，所述冷凝器冷屏筒，包括用于支撑液氮循环冷却筒的支撑扩口部，以及用于交换氦气的传输收缩部。

优选地，所述支撑扩口部的顶部设置支撑部，用于和液氮循环冷却筒的底部固定连接。

优选地，所述冷凝器冷屏筒由铝制成。

优选地，所述冷凝器，其冷凝壳体底部与超高场磁体的室温外壳端面之间还连接有氦通道隔振波纹管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置，将液氦和液氮引入冷凝器内部，通过置于冷凝器内部的冷头的一级冷头以及二级冷头进行液化，而且使用液氮循环冷却筒以及冷凝器冷屏筒分隔出独立的氮气液化腔以及氦气液化腔，进行独立液化、独立返回其对应的液氮容器以及液氦容器，实现了氮气和氦气的液化循环使用，从而使氦气和氮气有效地封闭在各自的空间里，不致流失，降低能耗。可以免除每年1-2次的液氦加注和每年3-4次的液氮加注，从而使超高场磁共振波谱仪实现无液氦和液氮的挥发，可以节约人工和材料，尤其是氦为稀缺不可再生资源。

综上所述，本发明的冷头装置，有效地避免了超高场磁内的液氦和液氮的挥发，可以节约人工和材料，同时改结构的使用还能降低了其工作噪音，提升了超导磁体线圈工作时频谱分析的精确度。

附图说明

图1为基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置一个实施例的主视图；

图2为图1的核磁共振超高场磁体冷头装置实施例的左视图；

图3为图2的A-A的剖视图；

图4为使用图1的核磁共振超高场磁体冷头装置的核磁共振超高场磁体的实施例主视图；

图5为图4的核磁共振超高场磁体的实施例的侧视图；

图6为图5的A-A剖视图；

其中：100-冷头，110-一级冷头，120-二级冷头，130-密闭支撑部；200-冷凝器，210-冷凝壳体，220-冷凝器冷屏筒，221-支撑扩口部，222-传输收缩部，223-支撑部；230-冷凝片结构；300-超高场磁体，301-室温外壳，302-液氦容器，303-氮气注入口，304-液氮容器；400-氦通道隔振波纹管，500-液氮循环冷却筒，510-氮气液化腔，520-循环外筒，530-循环内筒；600-循环冷却内腔，700-氦气液化腔，800-氦气循环交换管，900-氮气循环交换管，1000-循环冷却外腔，1100-氮气循环交换外管，1200-氮通道隔振波纹管。

实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

如图1、图2和图3所示，基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置，包括如下结构：

所述冷头100，一端连接制冷机，另一端向超高场磁体300端依次延伸的以及一级冷头110和二级冷头120，与超高场磁体300的室温外壳301之间连接有冷凝器200，以将一级冷头110和二级冷头120容纳入冷凝器的冷凝壳体210内部，辅助一级冷头110和二级冷头120提供足够的冷量；

所述冷凝器200，包括冷凝壳体210，以及置于冷凝壳体210内向液氦容器302延伸的冷凝器冷屏筒220；

所述一级冷头110，与冷凝器冷屏筒220的顶部之间连接液氮循环冷却筒500，并且与液氮循环冷却筒500的内壁和冷凝器冷屏筒220的内壁围成循环冷却内腔600，供给液氮冷却腔和液氦冷却腔循环制冷使用；

所述液氮循环冷却筒500，具有通过氮气循环交换管900与超高场磁体300的氮气注入口303连接的氮气液化腔510，从而将液氮容器304内的挥发出来的氮气交换至氮气液化腔510，氮气在该氮气液化气510液化后，沿着氮气循环交换管900返回至液氮容器304继续工作；

结合图3、图4、图5和图6所示所述二级冷头120，贯穿并且置于液氮循环冷却筒500内，底部通过连接冷凝片结构230围成氦气液化腔700，并且将氦气液化腔700通过氦气循环交换管800连接至超高场磁体300的液氦容器302，从而将液氦容器302内挥发的氦气传输至氦气液化腔700，氦气在该液化腔液化后，沿着氦气循环交换管800返回液氦容器302内，如此往复循环制冷，并且能够有效地防止挥发，该装置将液氦和液氮同时液化循环使用，从而使氦气和氮气有效地封闭在各自的空间里，不致流失，降低能耗。可以免除每年1-2次的液氦加注和每年3-4的液氮加注，从而使超高场磁共振波谱仪实现无液氦和液氮的挥发，可以节约人工和材料，尤其是氦为稀缺不可再生资源。

从图3中可以明显看出来，冷头装置的所述液氮循环冷却筒500，外壁与冷凝器冷屏筒220外壁和冷凝壳体210内壁、一级冷头110之间围成循环冷却外腔1000，与围成循环冷却内腔600一共形成内外两层循环冷却腔，提升了冷凝器200的循环保温以及性能，节省能耗，循环冷却内腔600即氮气液化腔。

从图3和图6中还能看出来，冷头装置的所述液氮循环冷却筒500，还具有循环外筒520和循环内筒530，以及在循环外筒520和循环内筒530之间围成的密闭的氮气液化腔510，从而提高该液氮循环冷却筒500的整体结构布局，并且保证其能够提供尽量大的氮气液化腔510，提高循环制冷效率，在具体的制造过程中，该氮气液化腔510可由循环外筒520和循环内筒530以及端部外侧焊接、粘接或者以其他方式固定连接端部制成。

冷头装置的所述氮气循环交换管900，连接在液氮循环冷却筒500的循环内筒530内部，外侧自循环外筒520内部开始设氮气循环交换外管1100，从图3和图6中还能看出来，从而进一步使用循环冷却内腔600冷量对氮气循环交换管900进行二次冷量交换，进一步节约能耗。

更佳的冷头装置的实施方式是，所述氮气循环交换管900与氮气循环交换外管1100和氮气注入口303之间还连接氮通道隔振波纹管1200，用于减轻磁共振成像系统产生的振动以及噪音，进而提高磁共振频谱仪系统的分析精度。

冷头装置的所述冷凝器冷屏筒220，包括用于支撑液氮循环冷却筒500的支撑扩口部221，以及用于交换氦气的传输收缩部222，从而将传输至液氦容器302的氦气进行高密度集中收缩冷却，同时对于从液氦容器302出来的氦气也能不那么快被冷却，进一步节省能源。更进一步地，冷头装置的所述支撑扩口部221的顶部设置支撑部223，用于和液氮循环冷却筒500的底部固定连接，以实现将整个循环冷却内腔600密闭，具体固定连接结构为焊接、粘结或者螺钉、螺栓等常见固定连接结构均可。更佳的实施方式为，冷头装置的所述冷凝器冷屏筒220由铝制成，具有较好的制冷效果。

冷头装置的所述冷凝器200，其冷凝壳体210底部与超高场磁体300的室温外壳301端面之间还连接有氦通道隔振波纹管400，用于减轻磁共振成像系统产生的振动以及噪音，进而提高磁共振频谱仪系统的分析精度。

冷头装置的所述冷头100还具有密闭支撑部130，所述密闭支撑部130置于冷凝器200外侧并且与冷凝器200密闭固定连接，用于提高起密封性能。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims

1.基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置，包括一端连接制冷机的冷头（100），其特征在于：

所述冷头（100），还包括另一端向超高场磁体（300）端依次延伸的一级冷头（110）和二级冷头（120），与超高场磁体(300)的室温外壳（301）之间连接有冷凝器（200）；

所述冷凝器（200），包括冷凝壳体（210），以及置于冷凝壳体（210）内向液氦容器（302）延伸的冷凝器冷屏筒（220）；

所述一级冷头（110），与冷凝器冷屏筒（220）的顶部之间连接液氮循环冷却筒（500），并且与液氮循环冷却筒（500）的内壁和冷凝器冷屏筒（220）的内壁围成循环冷却内腔（600）；

所述液氮循环冷却筒（500），具有通过氮气循环交换管（900）与超高场磁体(300)的氮气注入口（303）连接的氮气液化腔（510）；

所述二级冷头（120），贯穿并且置于液氮循环冷却筒（500）内，底部连接冷凝片结构（230）并置于氦气液化腔（700）内，并且将氦气液化腔（700）通过氦气循环交换管（800）连接至超高场磁体（300）的液氦容器（302）。

2.根据权利要求1所述的基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置，其特征在于：

所述液氮循环冷却筒（500），外壁与冷凝器冷屏筒（220）外壁和冷凝壳体（210）内壁、一级冷头（110）之间围成循环冷却外腔（1000）。

3.根据权利要求2所述的基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置，其特征在于：

所述液氮循环冷却筒（500），还具有循环外筒（520）和循环内筒（530），以及在循环外筒（520）和循环内筒（530）之间围成的密闭的氮气液化腔（510）。

4.根据权利要求3所述的基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置，其特征在于：

所述氮气循环交换管（900），连接在液氮循环冷却筒（500）的循环内筒（530）内部，外侧自循环外筒（520）内部开始设氮气循环交换外管（1100）。

5.根据权利要求4所述的基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置，其特征在于：

所述氮气循环交换管（900）与氮气循环交换外管（1100）和氮气注入口（303）之间还连接氮通道隔振波纹管（1200）。

6.根据权利要求1所述的基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置，其特征在于：

所述冷凝器冷屏筒（220），包括用于支撑液氮循环冷却筒（500）的支撑扩口部（221），以及用于交换氦气的传输收缩部（222）。

7.根据权利要求6所述的基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置，其特征在于：

所述支撑扩口部（221）的顶部设置支撑部（223），用于和液氮循环冷却筒（500）的底部无接触套接。

8.根据权利要求1所述的基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置，其特征在于：

所述冷凝器冷屏筒（220）由铝制成。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置，其特征在于：

所述冷凝器（200），其冷凝壳体（210）底部与超高场磁体(300)的室温外壳（301）端面之间还连接有氦通道隔振波纹管（400）以保持氦气和液氦空间的密闭性。

10.根据权利要求9所述的基于液氦循环的核磁共振超高场磁体循环制冷装置，其特征在于：

所述冷头（100）还具有密闭支撑部（130），所述密闭支撑部（130）置于冷凝器（200）外侧并且与冷凝器（200）密闭固定连接。