CN1542876A - 磁共振超导磁体的脉冲管低温冷却器系统 - Google Patents

磁共振超导磁体的脉冲管低温冷却器系统 Download PDF

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Abstract

一种磁共振组件，包括：液体冷冻剂容器(24)；安装在该液体冷冻剂容器内的液体冷冻剂冷却的超导磁体(22)；围绕所述液体冷冻剂容器并与该液体冷冻剂容器隔开的密闭真空容器(28)；一个牢固地连接到所述密闭真空容器(28)上以便在运行时为液体冷冻剂冷却的超导磁体提供低温的冷却装置(30)；与所述液体冷冻剂容器(24)热接触以便在运行时进行热交换的热交换装置(34)；以及与冷却装置和热交换装置热接触的热母线(32)。冷却装置可以是能够提供约4K温度的脉冲管低温冷却器。高纯铝或铜的热母线连接脉冲管低温冷却器和远程再冷凝器单元(34)并使它们隔开，由此减少磁体组件(20)的整体高度。

Description

磁共振超导磁体的脉冲管低温冷却器系统
技术领域
本发明总体上涉及磁共振磁体领域。具体地说，本发明涉及脉冲管低温冷却器总成以及开放式和柱式MR超导磁体的界面设计。
背景技术
众所周知，通过将超导磁体置于极冷环境中，例如将其密闭在一个低温恒温器或压力容器中并用液体冷冻剂将其围绕时，该超导磁体就会变成超导性的。像Gifford McMahom(GM)一样的低温冷却器一类的超低温制冷机被广泛用于保持低温环境。极低温冷却确保磁体线圈保持超导运行，从而当电源刚一连接磁体线圈(例如10秒钟)时就产生通过该线圈的电流。即使在除去电源以后，由于线圈中没有电阻，所以电流继续流过线圈，由此保持很强的磁场。超导磁体总成在MRI领域中得到广泛应用。
尽管GM低温冷却器能够提供约4K的冷却温度(液氦温度)，但其使用存在一些缺陷。首先，这些GM低温冷却器为MRI系统的超导磁体带来的振动能量比要求的大，由此产生的图像质量较低。其次，声频信号变高，使得医生和技术人员抱怨冷头的啁啾声。另外，GM低温冷却器有大量运动部件，这些部件使冷却器易于磨损，导致损坏。
与GM低温冷却器不同的是，能够提供约4K冷却温度的脉冲管低温冷却器具有较少的缺陷。人们希望将这些低温冷却器用于超导MR磁体，特别是用于无汽化(zero boiloff)设计的超导磁体。脉冲管低温冷却器为超导MR磁体提供各种好处。脉冲管低温冷却器为超导磁体带来的振动能量远比GM低温冷却器带来的振动能量小。这样就提高了MR屏的图像质量，便于更好地安装MR成像系统(允许有较高的环境/大地震动)。声频信号要比GM低温冷却器的信号小，音质分布对人的打扰较小，由此导致比较低的声压量。此外，脉冲管低温冷却器的运动部件远比GM低温冷却器的少，这就使脉冲管低温冷却器更加可靠。
脉冲管低温冷却器提出了独特的总成课题。脉冲管必须接近垂直(±10°)取向，以便实现合适的冷却容量。这样产生的课题在于超导磁体恒温器的设计要考虑最大使用高度(maximum ceiling height for service)和无汽化构件配置。无汽化技术要求将低温冷却器安装在磁体的顶部。如果将再冷凝器直接装到脉冲管上，则磁体增加的高度将会限制接近低温冷却器，并且限制安装过程中磁体可以通过的最小开口。所需要的是一种将脉冲管安装得比较低的解决方案，同时要将再冷凝器保持在最高液氦液面的上方。有必要在脉冲管低温冷却器和再冷凝器之间实现低热损失界面，以便减少冷却能量的损失。而且还希望去掉传统系统上采用的低温冷却器壳，这是因为该壳增加了过多的热负载。这种过多的热负载要求使用能量较大的低温冷却器，这就使得低温冷却器的使用寿命减低。
发明内容
一方面，本发明公开了一种磁共振组件，该磁共振组件包括：一种磁共振组件，包括：一液体冷冻剂容器；一设置在所述的液体冷冻剂容器内的用液体冷冻剂冷却的超导磁体；一围绕所述液体冷冻剂容器并与所述的液体冷冻剂容器隔开的密闭真空容器；一固定地连接到所述的真空容器上并可操作地为所述的超导磁体提供低温的冷却装置；一与所述的液体冷冻剂容器热接触并可操作地进行热交换的热交换装置；以及一与所述的冷却装置和所述的热交换装置热接触的母线。
另一方面，所述冷却装置包括一个可用于产生约4K温度的脉冲管低温冷却器。通过高纯铝或高纯铜的母线将脉冲管低温冷却器与一个远程再冷凝器相连。用一个低热损耗界面，例如焊缝、接头、夹子、栓接的铟接头或它们的组合将脉冲管低温冷却器和远程再冷凝器与热母线相连。另一方面，可以固定地将脉冲管低温冷却器作为磁体低温恒温器的永久部分连接到密闭真空容器上。
另一方面，热母线可以使脉冲管低温冷却器在磁体的任何要求部位连接到密闭真空容器上。热母线还可以使远程再冷凝器处在液氦最高液面上方的密闭真空容器内的任何要求部位。所以，热母线在磁体组件的设计中具有很大的灵活性。
另一方面，通过一个或多个管线将热交换装置与液体冷冻剂容器相连，以便传送气体，其中，管线使低温气体向上流到热交换装置中，使再冷凝了的液体冷冻剂回流到液体冷冻剂容器中，并在热交换装置和液体冷冻剂容器之间进行隔热和振动隔离。
另一方面，本发明公开了一种磁共振组件，该磁共振组件包括：一种磁共振组件，包括：一液体冷冻剂容器；一设置在所述的液体冷冻剂容器内的液体冷冻剂冷却的超导磁体；一围绕所述的液体冷冻剂容器并与所述的液体冷冻剂容器隔开的密闭真空容器；一可固定地连接到所述的密闭真空容器上的冷却构件；一与所述的液体冷冻剂容器热接触的热交换构件；以及一连接所述的冷却构件和所述的热交换构件并提供它们的空间隔离地构件。
本发明公开的系统可以使开放式和柱式超导磁体用单一的低温冷却器工作，而不需要冷头开关，一个冷却装置由于其冷头振动较小，因此可以更主动地定位柱式磁体，进行固有的无噪声运行，提高了稳定性，减少了磁体热负载，降低了液氦的气化，减少了磁体重量。
附图说明
现在将结合附图描述本发明的各种具体实施例。在这些图中，相同元件用相同的附图标记表示。
图1是根据本发明一个实施例的MRI系统的开放式超导磁体和冷却装置的组件的图解说明；
图2是根据本发明一个实施例的MRI系统的柱式超导磁体和冷却装置的组件的图解说明；
图3是图解说明本发明实施例的铝与铜的热导率的比较的曲线；
图4是对根据本发明一个实施例通过焊接被连接到热母线上的脉冲管低温冷却器的图解说明；
图5是对根据本发明一个实施例用栓接铟接头形式的铟被连接到热母线上的脉冲管低温冷却器的图解说明；
图6是对根据本发明一个实施例通过焊接被连接到热母线上的远程再冷凝器的图解说明；和
图7是对根据本发明一个实施例用栓接铟接头形式的铟被连接到热母线上的远程再冷凝器的图解说明。
具体实施方式
根据需要，下面描述本发明的详细实施例，但是应当理解的是，所描述的实施例仅是作为本发明的例子，这些例子可以具体为各种不同的变换形式。这里描述的特定结构和详细功能不能理解为限定，而仅仅是作为权利要求书的基础，就如同教导本领域的技术人员去对本发明进行不同应用的典型基础一样。在所有附图中，相同元件用相同的附图标记表示。下面描述的系统用于冷却开放式和柱式(open and cylindrical)磁共振(MR)超导磁体，但是，从原理上来讲，也用于所有利用低温再液化的低温系统。
现在参见附图，图1和2是对根据本发明一个实施例的MRI系统的超导磁体和冷却装置的组件的两种不同描述，用附图标记20表示。图1示出一个开放式系统，而图2示出一个柱式系统。将一个包括超导MR磁体装置的磁体架22装在一个盛流体的容器腔(后面称作“氦容器24”)中，例如低温恒温器(cryostat)或压力容器。超导MR磁体装置可以是无汽化的设计。氦容器24中盛有液氦或其他液体冷冻剂(liquid cryogen)，其包围超导磁体，并为超导运行提供冷却温度。包围氦容器24外周的是一个用以可操作地减少外界热量渗透的热屏蔽罩26，由此减少液氦或液体冷冻剂的蒸发。包围热屏蔽罩26外周的是多层绝热材料27或超绝热材料以及一个真空绝热容器28，绝热材料被绕在热屏蔽罩上。真空容器28将该真空绝热容器28外面的大气与液氦容器24隔开。可以将多层超绝热材料装在真空容器28和热屏蔽罩26之间。将一个下面将要详细介绍的脉冲管低温冷却器本体焊到真空容器28上，或用一个O形密封圈或金属密封圈，例如螺旋弯曲(heliocoflex)或全平(conflat)式超密封圈与该真空容器28密封。焊接、金属和O形圈密封两者均能实现低温恒温器所需要的防泄漏密封界面。脉冲管本体作为磁体恒温器的一个永久部分与磁体2相连。
脉冲管低温冷却器形式的冷却装置，总体上标号30表示，通过热母线32、远程再冷凝器34、气体管线36和液体管线38与磁体架22可操作地相连。脉冲管低温冷却器30是本领域技术人员公知的可操作地用于冷却到低温的传统低温冷却器。在实施本发明时可以用一个脉冲管低温冷却器30，这消除了在成像期间进行冷头转换的要求。由于冷头振动很小，所以使用脉冲管低温冷却器30允许柱式磁体更主动的定位(more aggressive siting)，产生清晰图像，重影(ghosting)较少。本领域公知的脉冲管低温冷却器30能够提供约4K的冷却温度，即液氦温度。脉冲管低温冷却器30是一个密闭系统，它的一端采用一台压缩机和阀转换器，以便为脉冲管低温冷却器30产生振动氦气流。氦气流可操作地从低温部位或冷端热交换器(cold heatexchanger)除去热量。脉冲管低温冷却器30的下部包括一个冷头、一个集冷器和一个脉冲管。该下部插到真空容器28的上表面内。气体管线36和液体管线38是一对薄壁管，例如波纹管，这种管道在远程再冷凝器34和液氦液面上方的氦容器24上部的孔之间延伸。管线36和38例如可以由不锈钢制成。
一些传统超导磁体的设计采用低温冷却器套，其可以完全替换冷头。该套额外增加了热负载。该套可以使热屏蔽罩26增加多达5W的热负载，并使4K的氦容器增加0.05W的热负载。额外热负载需要容量比较大的低温冷却器30，而且会降低低温冷却器30的使用寿命。本发明的脉冲管低温冷却器30的可靠性以及配置结构允许没有套，这样就减少了向磁体的漏热，由此减少液氦气化，延长低温冷却器30的寿命。脉冲管低温冷却器30的本体成为磁恒温器的一体部件。
在优选实施例中，脉冲管为垂直至接近垂直取向，正负约10度，其中将垂直定义为脉冲管的轴垂直于朝下定向的冷却站。脉冲管低温冷却器30需要垂直定向，否则热性能就会降低。无汽化技术要求将远程再冷凝器装置34装在磁体架子22的顶部，在最高液氦液面的上方。脉冲管低温冷却器30的冷却站通常与再冷却器装置34直接相连，从而增加了磁体顶部高度。热母线32消除了在低温冷却器装置30和再冷却器装置34之间直接连接的需要。在图1和2中，所示的低温冷却器30为垂直定向，图1和2示出的是改进了的磁体设计，这种设计涉及对无汽化构件的装置和构造的最高磁体顶部高度。
脉冲管低温冷却器30的下部可操作地与热母线32相连。相对于磁体的顶部，脉冲管低温冷却器30装得足够低，以便可以对组件20进行维护和移动/安装。这种布局可以随磁体设计到磁体设计而改变。本发明允许对脉冲管低温冷却器30的高度进行控制。为了满足整体高度的要求，只要需要，就可以使脉冲管低温冷却器30的冷头垂直地上下移动。如果远程再冷凝器34直接装到脉冲管低温冷却器30上，则就像传统系统一样，磁体因冷却装置组件30而增加的高度将会限制脉冲管低温冷却器30的进入，并且限制组件20在安装期间可以通过的最小开口。引入热母线32可以使脉冲管冷却器30安装得更低，同时还将远程再冷凝器装置34保持在最高液氦液面的上方。
将热母线32与远程再冷凝器装置34相连，以将远程再冷凝器装置34保持在最高液氦液面的上方。热母线32用低温下(例如4K)为高热导率的材料制成，例如高纯铝(纯度高于99.999％)或高纯铜(纯度高于99.99％)。现在参见图3，所示的曲线对高纯铝和高纯铜作了比较。在4K时，高纯铝和高纯铜的热导率几乎相同。在高温时(例如100K，附图标记50所示)铝的热导率约为高纯铜的一半。因此，在正常运行时，两者的功能类似，但是一旦脉冲管出现故障(功率损失、机械故障等)，则铝材料的热母线32加给液氦低温恒温器的热负载是铜材料母线的1.5倍。除了百分比纯度以外，杂质的类型也很重要。为杂质的类型选择的度量单位是剩余电阻比(RRR)，该比被定义为4K时的电阻率与室温，例如295K，时的电阻率的比值。热导率通过洛伦兹常数(Lorentz constant)与电阻率有关。为了减小由于热母线32所产生的热损失，需要用RRR高(大于3000)的铝或铜。在4K时，热母线32可以传导多达1.5W的热量。在脉冲管30界面上的母线32的冷端可以比远程再冷凝器装置34上的热端温度低0.2K。每0.1K造成0.1W的冷却能力损失(loss cooling capacity)，然而，该数值要随所用的脉冲管低温冷却器30变化。
因为热母线32，所以低温冷却器30可以在系统20内转动。本发明使得在相对于超导磁体22设置脉冲管低温冷却器30时具有很大的灵活性。使用在较高的高温时产生较低的热导率的高纯铝一类的材料使这成为可能。不管使用什么纯铜，不论它是高纯度的还是正常纯度的，在大约100K以上的温度下的热导率约是高纯铝的大约两倍即可，所述的这种温度表明出现故障的情况。在100K以上的温度下使用高纯铝是有好处的，在这种温度下希望更高的电阻和较低热导率。尽管可以用铜或低温热管，但对于本发明来讲铝是较理想的材料。
无汽化超导磁体的一个重要特征在于：如果低温冷却器30停止运行(故障现象)，液氦就气化。在出现故障现象期间，用铝提供的在低温冷却器30和氦容器24之间的差的传导连接有效地减少了氦的汽化，因为铝在60K以上温度时具有较低热导率。
用脉冲管低温冷却器30提供的低温足可以将从氦容器24的液氦液面以上的氦蒸汽区域流到远程再冷凝器装置34的氦气重新冷凝。该远程再冷凝器装置34用作热交换器。远程再冷凝器34将氦气冷凝成液氦，液氦利用其重力流回氦容器24。
如何将脉冲管低温冷却器30和远程再冷凝器装置34装到热母线32上对于热性能来讲是很重要的。在脉冲管低温冷却器30和热母线32的界面和热母线32和远程再冷凝器装置34的界面之间需要低热损耗界面。可以通过多种方法，例如通过夹紧的铟接头(clamped joint using indium)或直接焊接法将脉冲管低温冷却器30连接到热屏蔽罩26和热母线32上。当界面的工作温度为4K或接近4K时，铟界面提供的温差约为0.2K或更小。焊接界面提供的温差比铟界面的温差好得多，该温差几乎不能检测到。图4示出的是用贴角焊(fillet weld)60将脉冲管低温冷却器30连接到热母线32上。图5示出的是用栓接铟接头(bolted indium joint)72形式的铟70将脉冲管低温冷却器30连接到热母线32上。图6示出的是用贴角焊60将远程再冷凝器装置34连接到热母线32上。图7示出的是用栓接铟接头72形式的铟70将远程再冷凝器装置34连接到热母线32上。
在本发明的优选实施例中，最好将脉冲管低温冷却器30焊接到热母线32上。可以用摩擦焊接将高纯铝焊接到铜上。摩擦焊接是利用摩擦热实现的固态方法。通过对热母线32的铝和脉冲管低温冷却器30的铜这两个构件进行有控制的摩擦来产生热，直至这些材料变成塑态，此时，塑化了的材料就形成相互缠结(intertwine)的层状结构。摩擦焊接机通过一组独特参数，即转速、轴向力和时间，控制摩擦。在该方法的第一步骤，将热母线32和脉冲管低温冷却器30置于焊接机上，其中一个在转轴中，另一个在固定夹中。因为这些部件没有自然的对称轴，所以需要专用夹具。将转轴中的构件提升到预定转速，然后施加预定的轴向力。将这些条件保持预定的一段时间，直至达到所需温度和材料的条件。然后停止转动，施加更大的轴向力，直至得到所需要的对接。摩擦焊接是最有效的焊接形式，这是因为在铜和铝之间没有材料。
将脉冲管低温冷却器30焊接到热母线32上。远程再冷凝器装置34也焊接到热母线32上。因为热母线32有效地由铝构成，所以脉冲管低温冷却器30和远程再冷凝器装置34应当制造为具有一块摩擦焊接到它们之上的铝。脉冲管低温冷却器30的界面通常是便于焊接到不锈钢上的铜，脉冲管本体通常由不锈钢制成。
显然，提供的是根据本发明系统的用于开放式和柱式MR超导磁体的脉冲管低温冷却器总成和界面设计。虽然结合本发明的优选实施例对本发明作了描述，但其他实施例也可以实现类似的功能和/或获得类似的结果。所有这些等效的实施例都在本发明的精神范围内，并且被后面的权利要求所覆盖。

Claims (10)

1.一种磁共振组件，包括：
一液体冷冻剂容器(24)；
一设置在所述的液体冷冻剂容器(24)内的用液体冷冻剂冷却的超导，磁体(22)；
一围绕所述液体冷冻剂容器(24)并与所述的液体冷冻剂容器(24)隔开的密闭真空容器(28)；
一固定地连接到所述的真空容器(28)上并可操作地为所述的超导磁体(22)提供低温的冷却装置(30)；
一与所述的液体冷冻剂容器(24)热接触并可操作地进行热交换的热交换装置(34)；以及
一与所述的冷却装置(30)和所述的热交换装置(34)热接触的母线(32)。
2.根据权利要求1所述的磁共振组件，其中，所述的冷却装置(30)是一个脉冲管低温冷却器。
3.根据权利要求1所述的磁共振组件，其中，通过焊接、接头连接、夹子连接、栓接的铟接头连接(72)或它们的组合将所述的母线(32)与所述的冷却装置(30)及所述的热交换装置(34)固定相连。
4.根据权利要求1所述的磁共振组件，其中，所述的母线(32)是从包括高纯度铝和高纯度铜组中选出一种材料制成的，其中高纯度的定义为：铝的重量百分比大于99.999，铜的重量百分比大于99.99。
5.根据权利要求1所述的磁共振组件，其中，所述的冷却装置(30)可以连接到所述的真空容器(28)的任何区域，只要所述的冷却装置(30)位于磁体(22)的上方。
6.根据权利要求1所述的磁共振组件，其中，所述的热交换装置(34)设置在所述的真空容器(28)之内一最大液体制冷器高度上方的任何位置。
7.根据权利要求1所述的磁共振组件，其中，所述的热交换装置(34)是远程再冷凝器装置。
8.根据权利要求1所述的磁共振组件，其中，所述的热交换装置(34)通过一个或多个管线与所述的液体冷冻剂容器(24)相连，以可操作地传送气体，其中，所述的管线允许冷冻剂气体向上流到热交换装置(34)中，以及允许再冷凝了的冷冻剂液体回流到所述的液体冷冻剂容器(24)中，并在所述的热交换装置(34)和所述的液体冷冻剂容器(24)之间提供热和振动隔离。
9.一种超导磁体系统，包括：
一真空容器(28)；
一液体冷冻剂容器(24)；
一超导磁体(22)；
一设置在所述的真空容器(28)和所述的液体冷冻剂容器(24)之间的空间中的热屏蔽罩(26)；
一固定地连接到所述的真空容器(28)上的脉冲管低温冷却器(30)；
一通过一个或多个管道与液体冷冻剂容器(24)相连并被设置在所述的真空容器(28)内的再冷却器装置(34)；以及
一与所述的脉冲管低温冷却器(30)和所述的再冷却器装置(34)固定连接的热母线(32)，
其中：所述的热母线(32)由高纯铝或高纯铜制成，高纯铝或高纯铜的定义为：铝的重量百分比大于99.999，铜的重量百分比大于99.99。
10.一种磁共振组件，包括：
一液体冷冻剂容器(24)；
一设置在所述的液体冷冻剂容器(24)内的液体冷冻剂冷却的超导磁体(22)；
一围绕所述的液体冷冻剂容器(24)并与所述的液体冷冻剂容器(24)隔开的密闭真空容器(28)；
一可固定地连接到所述的密闭真空容器(28)上的冷却构件；
一与所述的液体冷冻剂容器(24)热接触的热交换构件；以及
一连接所述的冷却构件和所述的热交换构件并提供它们的空间隔离地构件。
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