CN117831885A - 超导磁体及磁共振成像设备 - Google Patents

Abstract

本申请请求保护的超导磁体及磁共振成像设备，超导磁体包括超导线圈及制冷机构，超导线圈包括线圈主体及换热管，换热管安装于线圈主体上并能够与线圈主体进行热交换；制冷机构包括相分离器及低温制冷机，相分离器与换热管连接并连通，低温制冷机具有二级冷头，相分离器安装于二级冷头上并能够与二级冷头进行热交换。本申请的超导磁体利用换热管与线圈主体之间的热交换，来降低线圈主体的环境温度，以使超导线圈达到超导的状态，如此，可降低超导磁体内液氦的使用量，这样能够起到节约液氦资源，降低超导磁体整体生产成本的作用。

Description

超导磁体及磁共振成像设备

技术领域

本发明属于超导线圈降温相关技术领域，特别是涉及一种超导磁体及磁共振成像设备。

背景技术

超导线圈，为超导磁体的核心部件，超导线圈需要用氦的气-液两相系统作为传热介质，在1大气压下使超导线圈温度稳定在4.2开尔文而达到超导状态，这样超导线圈工作时才能产生高稳定、高场强的磁场，以满足磁共振扫描的使用需求。

目前，现有的超导磁体通常采用将超导线圈浸泡至液氦中，利用液氦与超导线圈之间的热交换，以使超导线圈温度稳定在4.2开尔文而达到超导状态。为此，超导磁体需要配置一个供液氦容置的液氦仓，并在液氦仓内注入大量的液氦，用于控制超导线圈的环境温度，以使超导线圈工作时能够产生高稳定、高场强的磁场。然而，为了达到将超导线圈浸泡至液氦中的要求，超导磁体通常需要配置几百到上千升的液氦，而液氦作为不可再生的稀缺资源，其成本较高，这样导致超导磁体整体生产成本高。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种用于解决上述技术问题的超导磁体及磁共振成像设备。

一种超导磁体，所述超导磁体包括：

超导线圈，包括线圈主体及换热管，所述换热管安装于所述线圈主体上并能够与所述线圈主体进行热交换；

制冷机构，包括相分离器及低温制冷机，所述相分离器与所述换热管连接并连通，所述低温制冷机具有二级冷头，所述相分离器安装于所述二级冷头上并能够与所述二级冷头进行热交换；

其中，所述二级冷头能够对所述相分离器内的氦介质进行降温，以使氦介质液化并流入所述换热管。

可以理解的是，用导通有液氦的换热管与线圈主体之间的热交换，来降低线圈主体的环境温度，以使超导线圈达到超导的状态，如此，可降低超导磁体内液氦的使用量，这样能够起到节约液氦资源，降低超导磁体整体生产成本的作用。

在其中一个实施例中，所述制冷机构还包括储气罐，所述储气罐与所述相分离器连接并连通；

其中，所述储气罐能够存储氦气。

在其中一个实施例中，所述低温制冷机还具有一级冷头，所述储气罐安装于所述一级冷头上并能够与所述一级冷头进行热交换。

可以理解的是，用低温制冷机的一级冷头对储气罐内氦气进行降温，如此，可利用低温制冷机上一级冷头的高功率优势实现对氦气进行预冷，以便于后续二级冷头通过对相分离器降温的方式来达到液化氦气，这样充分利用低温制冷机的特性，将低温制冷机的冷量传递至线圈主体上，以使线圈主体能够在足够低温环境中保持超导状态。

在其中一个实施例中，所述超导磁体还包括外置制冷机，所述外置制冷机与所述储气罐连接并连通；

其中，所述外置制冷机能够对所述氦气进行降温。

可以理解的是，用外置制冷机对氦气进行降温，如此，可使氦气的降温可通过外置制冷机的介入实现，这样可实现对超导线圈的快速降温。

在其中一个实施例中，所述外置制冷机与所述储气罐之间相连接的通路上安装有气体阀门，所述气体阀门能够控制所述通路的通/断。

可以理解的是，用气体阀门控制外置制冷机与储气罐之间相连接通路的连通或者断开，如此，可对外置制冷机对氦气降温的介入进行控制，以满足后续用低温制冷机将氦气液化成液氦的使用需求。

在其中一个实施例中，所述超导磁体还包括冷屏，所述冷屏设置于所述超导线圈的外围；

其中，所述冷屏与所述储气罐之间能够通过柔性连接带进行热交换。

可以理解的是，通过在超导线圈外围设置冷屏，并用柔性连接带来实现冷屏与储气罐之间的热交换，如此，可用储气罐对冷屏进行降温，再利用冷屏的结构特点，以降低超导线圈受到的辐射热量，这样可避免线圈主体所在的环境温度受到外部热辐射的影响。

在其中一个实施例中，所述储气罐上连接并连通有进气管和出气管，所述储气罐能够通过所述进气管导入液氮，导入的所述液氮在热平衡后能够在所述进气管导入的氦气的推挤下由所述出气管向外排出，并使所述液氮从所述储气罐内排空。

可以理解的是，在储气罐内预先导入液氮进行热交换，等到液氮热平衡后再用导入的氦气将液氮从储气罐内排空；如此，可用相对氦气廉价的液氮先与超导线圈进行热交换，然后低温制冷机对超导线圈进行进一步降温，这样不仅可大大缩短超导线圈达到超导状态时所需要的降温时间，而且还能够起到降低成本的作用。

在其中一个实施例中，所述超导磁体还包括检测机构，所述检测机构能够对所述储气罐内液氮的排出进行监测，以确定所述储气罐内液氮已排空。

可以理解的是，用检测机构对储气罐内液氮是否排空进行监测，等到液氮排空后再启动低温制冷机，如此，便于超导磁体工作时对超导线圈降温时的操作控制。

在其中一个实施例中，所述超导磁体还包括常温外容器，所述常温外容器向内形成有真空容腔；

其中，所述相分离器及所述超导线圈均收容于所述真空容腔内。

可以理解的是，将相分离器及超导线圈均收容于常温外容器营造的真空环境中，如此，利用真空环境的特性，可阻断超导线圈在常温外容器内部之间的对流传热，这样可避免线圈主体所在的环境温度受到对流传热的影响。

本申请还请求保护一种磁共振成像设备，包括上述所述的超导磁体。

由于上述技术方案的应用，本发明与现有技术相比具有以下优点：

本申请请求保护的超导磁体及磁共振成像设备，用导通有液氦的换热管与线圈主体之间的热交换，来降低线圈主体的环境温度，以使超导线圈达到超导的状态，如此，可降低超导磁体内液氦的使用量，这样能够起到节约液氦资源，降低超导磁体整体生产成本的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例所提供的超导磁体的结构示意图；

图2为本申请一实施例所提供的超导磁体的结构示意图，其中，储气罐连接并连通外置制冷机；

图3为本申请一实施例所提供的超导磁体的结构示意图，其中，储气罐可先用进气管导入液氮。

附图标记：100、超导磁体；10、超导线圈；11、线圈主体；12、换热管；20、制冷机构；21、相分离器；22、低温制冷机；221、二级冷头；222、一级冷头；23、储气罐；231、进气管；232、出气管；30、冷屏；31、柔性连接带；40、常温外容器；41、真空容腔；50、外置制冷机；101、通路；1011、气体阀门。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设于”另一个元件，它可以直接设在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“设于”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“固定于”另一个元件，它可以是直接固定在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的及所有的组合。

如图1至图3所示，本申请一实施例所提供的超导磁体100，包括超导线圈10及制冷机构20，超导线圈10包括线圈主体11及换热管12，换热管12安装于线圈主体11上并能够与线圈主体11进行热交换；制冷机构20包括相分离器21及低温制冷机22，相分离器21与换热管12连接并连通，低温制冷机22具有二级冷头221，相分离器21安装于二级冷头221上并能够与相分离器21进行热交换，例如，相分离器21可采用焊接的方式安装至二级冷头221上；其中，二级冷头221能够对相分离器21内的氦介质进行降温，以使氦介质液化并流入换热管12。也就是说，本申请的超导磁体100用导通有液氦的换热管12与线圈主体11之间的热交换，来降低线圈主体11的温度，以使超导线圈10达到超导的状态。需要说明的是，上述二级冷头221对相分离器21内的氦介质进行降温，以使氦介质液化并流入换热管12，具体指，低温制冷机22的二级冷头221能够对相分离器21内的气态的氦气液化成液氦，与此同时，二级冷头221也能够对相分离器21的液氦进行降温，亦即上述的氦介质具体可包括氦气和氦液，其中氦气可经由二级冷头221对相分离器21的降温而液化成液氦。

可以理解，利用导通有氦液的换热管12与线圈主体11之间的热交换，来使超导线圈10达到超导状态，这样可降低超导磁体100内液氦的使用量，这样能够起到节约液氦资源，降低超导磁体100整体生产成本的作用。

需要说明的是，本申请的超导线圈10中换热管12匹配于线圈主体11设置，且为了提高换热管12与线圈主体11之间进行热传导时的热交换效率，可在换热管12上布置多片换热片，多片换热片分别与线圈主体11接触配合，以增加换热管12与线圈主体11进行热交换时的接触面积，当然了，换热管12在线圈主体11上具体布置方式，可根据换热管12与线圈主体11之间热交换的使用需求具体设置，在此就不作展开阐述。

如图1至图3所示，在一些实施例中，制冷机构20还包括储气罐23，储气罐23与相分离器21连接并连通；其中，储气罐23能够存储氦气。使得制冷机构20工作时，能够用储气罐23给相分离器21供应氦气，以满足低温制冷机22通过二级冷头221对相分离器21降温的方式来液化氦气，使得相分离器21与换热管12之间能够导通液氦。需要说明的是，上述储气罐23及相分离器21均可设置为罐体结构，且储气罐23能够完全收容相分离器21内液氦汽化后氦气。

如图1至图3所示，在一些实施例中，低温制冷机22还具有一级冷头222，一级冷头222安装于储气罐23上并能够与储气罐23进行热交换，例如，储气罐23可采用焊接的方式安装于一级冷头222上。也就是说，该低温制冷机22工作时能够用一级冷头222对储气罐23内氦气进行降温，如此，可利用低温制冷机22上一级冷头222的高功率优势实现对氦气进行预冷，以便于后续二级冷头221通过对相分离器21降温的方式来达到液化氦气，这样充分利用低温制冷机22的特性，将低温制冷机22的冷量传递至线圈主体11上，以使线圈主体11能够在足够低温环境中保持超导状态。

需要说明的是，上述低温制冷机22的一级冷头222在30开尔文到300开尔文的温度区域内可提供几十到数百瓦的冷量功率，本申请的低温制冷机22上一级冷头222具体可在50开尔文左右的温度范围维持冷却；而，二级冷头221主要用于在4开尔文温度范围的维持冷却，冷量功率一般只有一瓦到数瓦的范围；而，线圈主体11的温度需要稳定在4.2开尔文而达到超导状态，故此，线圈主体11要达到超导状态需与二级冷头221保持热交换。当然了，低温制冷机22的具体结构及工作时如何实现对一级冷头222及二级冷头221降温的工作原理均可采用现有应用于磁共振成像技术中的低温制冷机的常规方式，在此就不作展开阐述。

如图1至图3所示，在一些实施例中，超导磁体100还包括冷屏30，冷屏30设置于超导线圈10的外围；其中，冷屏30与储气罐23之间能够通过柔性连接带31进行热交换。如此，可用储气罐23对冷屏30进行降温，再利用冷屏30的结构特点，以降低超导线圈10受到的辐射热量，这样可避免线圈主体11所在的环境温度受到外部热辐射的影响。

需要说明的是，上述冷屏30及柔性连接带31的具体结构、储气罐23如何通过柔性连接带31与冷屏30进行热交换及冷屏30如何实现降低辐射热量的工作原理均可采用现有应用于磁共振成像技术中的冷屏的常规方式，在此就不作展开阐述。

如图1至图3所示，在一些实施例中，超导磁体100还包括常温外容器40，常温外容器40向内形成有真空容腔41；其中，相分离器21、储气罐23及超导线圈10均收容于真空容腔41内，这样可为超导线圈10营造一个真空环境，如此，可阻断超导线圈10在常温外容器40内部之间的对流传热，这样可避免超导线圈10所在的环境温度受到对流传热的影响。需要说明的是，上述常温外容器40具体形成为超导磁体100的外壳体，且常温外容器40向内形成有的真空容腔41，具体指常温外容器40向内能够形成真空环境，该真空容腔41的真空度可根据需求具体设置，在此就不作展开阐述。

如图2所示，在一些实施例中，超导磁体100还包括外置制冷机50，外置制冷机50与储气罐23连接并连通；其中，外置制冷机50能够对氦气进行降温。也就是说，该实施例的超导磁体100工作时，可借助于外置制冷机50实现对储气罐23内氦气的快速冷却，在达到指定温度后，再断开外置制冷机50与储气罐23之间的热交换，通过二级冷头221对相分离器21的降温来实现对氦气的液化，最终维持液氦的热虹吸系统平衡，这样能够大大地缩短超导磁体100工作时对线圈主体11降温时的降温时间。需要说明的是，上述外置制冷机50可根据需求设置为目前应用于磁共振成像技术中常规的制冷机，在此就不作展开阐述。

在一些实施例中，外置制冷机50与储气罐23之间相连接的通路101上安装有气体阀门1011，气体阀门1011能够控制通路101的通/断。也就是说，外置制冷机50与储气罐23之间的通或者断，可通过气体阀门1011来实现，如此，可对外置制冷机50对氦气降温的介入进行控制，以满足后续用低温制冷机22将氦气液化成液氦的使用需求。需要说明的是，上述的气体阀门1011可根据需求设置为手动阀、电磁阀等，在此就不作展开阐述。

如图3所示，在一些实施例中，储气罐23上连接并连通有进气管231和出气管232，储气罐23能够通过进气管231导入液氮，导入的液氮在热平衡后能够在进气管231导入的氦气的推挤下由出气管232向外排出，并使液氮从储气罐23内排空。也就是说，该实施例的超导磁体100在对线圈主体11进行降温的过程中，可先通过进气管231导入液氮，并利用液氮对储气罐23进行降温处理，在达到热平衡后，再利用往进气管231内导入氦气，利用氦气与液氮之间的不同比重，可将液氮由出气管232向外排出，直至排空，然后再将进气管231与出气管232关闭；之后再开启低温制冷机22，用一级冷头222再对储气罐23降温，用二级冷头221对相分离器21的降温来实现对氦气的液化，最终维持液氦的热虹吸系统平衡。由于液氮相较于氦气廉价且极易获得，故此，采用上述方式不仅可大大缩短超导线圈10的降温时间，而且还能够起到降低成本的作用。需要说明的是，上述所述液氮在储气罐23内达到热平衡，具体指，导入有液氮的储气罐23的温度与液氮的温度保持一致，两者不会再发生热交换。

需要说明的是，液氮的温度一般为77开尔文，而低温制冷机22开启后一级冷头222可对储气罐23内氦气可降低至50开尔文，二级冷头221可对相分离器21内液氦降温至4开尔文，故此，通过进气管231往储气罐23内导入液氮直至液氮达到热平衡的过程中，低温制冷机22并不需要开启工作。

在一些实施例中，超导磁体100还包括检测机构(图未示)，检测机构能够对储气罐23内液氮的排出进行监测，以确定储气罐23内液氮已排空。使得超导磁体100能够等储气罐23内液氮被完全排完后，再控制低温制冷机22开启。

示例性的，检测机构具体可通过对出气管232排出的液氮中是否混合有氦气来判定储气罐23内液氮已排完；又或者，利用超导磁体100通入液氮前后的重量比对，通过对超导磁体100的称重来判定储气罐23内液氮是否已排完。

另外，本申请还提供一种磁共振成像设备，包括上述所述的超导磁体100。

综上，本申请请求保护的超导磁体100，利用换热管12与线圈主体11之间的热交换，来降低线圈主体11的环境温度，以使超导线圈10达到超导的状态，如此，可降低超导磁体100内液氦的使用量，这样能够起到节约液氦资源，降低超导磁体100整体生产成本的作用。

以上实施方式的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施方式中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变及变化都落在本发明要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种超导磁体，其特征在于，所述超导磁体(100)包括：

超导线圈(10)，包括线圈主体(11)及换热管(12)，所述换热管(12)安装于所述线圈主体(11)上并能够与所述线圈主体(11)进行热交换；

制冷机构(20)，包括相分离器(21)及低温制冷机(22)，所述相分离器(21)与所述换热管(12)连接并连通，所述低温制冷机(22)具有二级冷头(221)，所述相分离器(21)安装于所述二级冷头(221)上并能够与所述二级冷头(221)进行热交换。

2.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述制冷机构(20)还包括储气罐(23)，所述储气罐(23)与所述相分离器(21)连接并连通。

3.根据权利要求2所述的超导磁体，其特征在于，所述低温制冷机(22)还具有一级冷头(222)，所述储气罐(23)安装于所述一级冷头(222)上并能够与所述一级冷头(222)进行热交换。

4.根据权利要求2所述的超导磁体，其特征在于，所述超导磁体(100)还包括外置制冷机(50)，所述外置制冷机(50)与所述储气罐(23)连接并连通。

5.根据权利要求4所述的超导磁体，其特征在于，所述外置制冷机(50)与所述储气罐(23)之间相连接的通路(101)上安装有气体阀门(1011)，所述气体阀门(1011)能够控制所述通路(101)的通/断。

6.根据权利要求2所述的超导磁体，其特征在于，所述超导磁体(100)还包括冷屏(30)，所述冷屏(30)设置于所述超导线圈(10)的外围；

其中，所述冷屏(30)与所述储气罐(23)之间能够通过柔性连接带(31)进行热交换。

7.根据权利要求2所述的超导磁体，其特征在于，所述储气罐(23)上连接并连通有进气管(231)和出气管(232)，所述储气罐(23)能够通过所述进气管(231)导入液氮，导入的所述液氮在热平衡后能够在所述进气管(231)导入的氦气的推挤下由所述出气管(232)向外排出，并使所述液氮从所述储气罐(23)内排空。

8.根据权利要求7所述的超导磁体，其特征在于，所述超导磁体(100)还包括检测机构，所述检测机构能够对所述出气管(232)排出的液氮进行监测，以确定所述储气罐(23)内液氮已排空。

9.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述超导磁体(100)还包括常温外容器(40)，所述常温外容器(40)向内形成有真空容腔(41)；

其中，所述相分离器(21)及所述超导线圈(10)均收容于所述真空容腔(41)内。

10.一种磁共振成像设备，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的超导磁体(100)。