CN1619720B - 超导磁体的低涡流致冷剂回路 - Google Patents

超导磁体的低涡流致冷剂回路 Download PDF

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Abstract

一种用于超导磁体(302)的低涡流致冷剂回路(100)，它包括用导电材料制成的至少一个第一冷却线圈(102)和至少一个包括在第一冷却线圈(102)中的电绝缘体(104)。电绝缘体(104)设置成阻止由第一冷却线圈(102)和涡流感应场源之间的电感耦合引起的感应涡流环路。

Description

超导磁体的低涡流致冷剂回路
技术领域
本发明一般涉及超导磁体的冷却方法和装置，具体地说，涉及冷却用于磁共振成像(MRI)系统的磁体。
背景技术
有各种各样的使用超导磁体的磁成像系统。成像系统的一个实例就是磁共振成像(MRI)系统。MRI系统用来使患者身体的一部分成像。
超导MRI系统通常利用一个通常具有多个线圈的超导磁体。在磁体内部提供成像容积。将人体或材料置于成像容积内，检测图像或信号，然后所述图像或信号由处理器(例如计算机)处理。
大部分现有的超导MRI磁体由铌钛材料制成，利用致冷器冷却到4.2K的温度。典型的超导磁体致冷器包括液氦容器、一个或两个隔热屏以及真空容器。隔热屏阻止环境大气对液氦容器的辐射。使来自这种辐射的热负载与向致冷器提供冷却的冷冻机(例如低温冷却器)平衡。
但是，除了来自环境大气的热量之外，还有其它的热源。例如，当致冷器组件暴露在磁场中，例如来自MRI梯度线圈的边缘磁场时，就会产生涡流。这些涡流产生焦耳热，增加了制冷器需去除的热负载。而且，这些涡流在图像容积中产生的磁场对系统的成像质量有负面的影响。解决此问题的现有方法包括降低超导线圈和致冷组件区域内的AC场强。但这通常导致对系统性能的不利影响。
发明内容
按照本发明的一个优选方面，提供一种用于超导磁体的低涡流致冷剂回路，它包括：至少一个包括电导材料的第一冷却线圈；以及至少一个包括在所述第一冷却线圈中的电绝缘体，电绝缘体设置成抑制由于第一冷却线圈和涡流感应场源之间的电感耦合而在致冷剂回路中的感应的涡流环路。
按照本发明的一个优选方面，提供一种冷却超导磁体的方法，速方法包括提供至少与第一冷却线圈热接触的超导磁体，所述第一冷却线圈包括至少一个电绝缘体，所述电绝缘体设置成抑制由于第一冷却线圈和涡流感应场源之间的电感耦合而感应的涡流环路并且使致冷剂通过第一冷却线圈。
按照本发明的一个优选方面，提供一种MRI系统，它包括超导磁体和低涡流致冷剂回路，所述低涡流致冷剂回路至少具有与超导磁体热接触的第一冷却线圈。
按照本发明的一个优选方面，提供一种形成冷却带的方法，所述方法包括：提供第一冷却线圈和第二冷却线圈，所述第一和第二冷却线圈具有基本上半圆的部分；以及把所述第一和第二冷却线圈固定到柔性支架上，使得所述第一和第二冷却线圈形成基本上圆形的形状。
附图说明
图1为低涡流致冷剂回路的示意图，示出本发明的若干实施例。
图2A为按照本发明实施例的冷却带示意图。
图2B为按照本发明另一实施例的冷却带示意图。
图3A为按照本发明另一实施例的冷却带截面图。
图3B为按照本发明另一实施例的冷却带截面图。
图4A为按照本发明实施例形成冷却带的方法的示意图。
图4B为图4A的冷却带的详细视图。
图4C为图4A的冷却带的另一详细视图。
图5示出按照本发明实施例的MRI的示意图。
零件表
100低涡流致冷剂回路
102第一冷却线圈
104第一电绝缘体
106输入部分
108输出部分
110半圆部分
112弯道
114填充片
116柔性支架
118第二冷却线圈
120第二电绝缘体
122冷却带
123多支管
124液态致冷剂储存器
126致冷剂储存器中的加热器
128隔热屏
130隔热屏冷却线圈
131A隔热屏冷却线圈的输入部分
131B隔热屏冷却线圈的输出部分
132隔热屏冷却线圈电绝缘体
134低温冷却器
135A低温冷却器的第一级
135B低温冷却器的第二级
136冷凝器
138第一压力安全阀
140第二压力安全阀
142单向阀
200线圈冷却支回路
202隔热屏支回路
300MRI系统
302超导磁体
304孔
306梯度线圈
308RF线圈
310RF屏蔽
312MRI机壳
具体实施方式
本发明已经实现可以减少从超导磁体系统(例如MRI系统)的涡流环路产生的热量而不降低超导线圈和冷却器组件区域中的AC场强。可以通过利用低涡流致冷剂回路冷却超导磁体来实现这一点。具体地说，其作法是：提供一些冷却线圈，所述冷却线圈具有包括在其中的至少一个电绝缘体，以便抑制由所述冷却线圈和涡流感应场源的电感耦合引起的感应磁场。
图1示出本发明低涡流致冷剂回路100的实施例的几个方面。在本发明的优选实施例中，低涡流致冷剂回路100包括至少一个冷却线圈102。通常，冷却线圈由不锈钢或铜制成，以便于构建适合在致冷剂温度下工作的密封回路。但具有合适的导热率的任何材料都可使用。
通常，用作密封冷却管的材料也是导电的。由于这些材料导电，所以由于冷却线圈102和各种电磁场源(例如磁场源和AC场源)的电感耦合的缘故，可能在冷却线圈102中感应涡流。为抑制这些感应的涡流环路，至少将一个电绝缘体104包括在冷却线圈102中。就是说，制造冷却线圈102时冷却线圈102的一部分用一种非导电材料制作。例如，冷却线圈102的一部分用陶瓷管制造。通过使用陶瓷管，冷却线圈102中的电流通路被中断，阻止了感应涡流的产生。
在图2B的本发明一个实施例中，冷却线圈102具有输入部分106、输出部分108和半圆部分110。通常，液态致冷剂通过冷却线圈102底部的输入部分106引入冷却线圈102，随着热量被冷却线圈102吸收，部分液态致冷剂蒸发。致冷剂蒸汽和任何剩余的液态致冷剂通过冷却线圈102上部的输出部分108逸出冷却线圈102。
在一个优选实施例中，半圆形部分110用来冷却MRI 300的超导磁体(图5)。但是，半圆形部分也可设计来冷却其它应用中的超导磁体，例如磁分离器、电机或发电机等。
图2A示出另一实施例的冷却线圈102。在此实施例中，冷却线圈102包括多个弯道112，形成垂直于半圆形部分110的弧线的蛇形线。此实施例的冷却线圈102可对轴向长度较长的线圈提供冷却，而同时又保持线圈内部的导热通路较短，从而使热量能从这种线圈中去除而线圈末端不会有不可接受的温度升高。
图4A-4C示出基于图2A所示实施例的附加特征。最好，冷却线圈102中的弯道112是成角度的，使得这样冷却管102内液态致冷剂中的气泡在重力作用下向上流动(图4C)。通常，弯道112的角度ρ大于0度。但是，只要角度至少为0度，即，不是负数，气泡就不会陷在冷却线圈102中。这样，冷却线圈102就不会被蒸汽阻塞。
或者，在冷却线圈102中的弯道112之间可以包括一些填充片114。最好，填充片的高度大致等于冷却线圈102的厚度。通常，填充片用聚合材料制成，最好是酚醛聚合物。而且，在一个优选实施例中，冷却线圈102的直径小于7mm。更好的是，冷却线圈102的直径大于3mm，小于7mm。
当按照上述实施例制造低涡流冷却器线圈100时，首先将冷却线圈102做成半圆形并固定到支架116上，带有或不带有填充片114均可。或者，将冷却线圈102和填充片固定到柔性支架116上，再弯曲成半圆形。然后使具有填充片114和冷却线圈102的支架116与超导线圈热接触。
本发明以前的实施例涉及使用单个冷却线圈102。在另一个优选实施例中(示于图4A)，在附加第二冷却线圈118的情况下形成冷却带122，第二冷却线圈118至少具有包括在其中的第二电绝缘体120。和第一冷却线圈102一样，第二电绝缘体120设置成抑制由第二冷却线圈118与涡流感应场源的电感耦合引起的感应磁场。而且，第一和第二冷却线圈102和118都具有基本上半圆形的部分110。最好，把第一和第二冷却线圈102和118设置成彼此相对，以便形成具有基本上为圆形的冷却带122。
可以将冷却带122包裹在超导线圈302的周围，以便对超导线圈302的整个外围提供冷却(图3)。而且，如果超导线圈的轴向长度较长，可以提供多个冷却带122。如果提供多个冷却带122，那么，也可以提供多支管123(图1)以便在多个冷却带122之间分配致冷剂。
在图3B所示的本发明又一实施例中，在多个冷却带122中至少有一部分是组合在超导线圈302的绕组内。这种实施例可以用在粗的超导线圈302中，不然超导线圈302中就会有过热点。而且，这种实施例可以和前一个实施例相组合。亦即，多个冷却带122可以包括在超导线圈302的绕组内以及沿超导线圈302的轴向上。
在本发明的优选实施例中，低涡流致冷剂回路100包括液态致冷剂储存器124，其中的液体可流到冷却带122的第一和第二冷却线圈102、118(图1)。最好，液态致冷剂储存器124位于第一和第二冷却线圈102、118之上，其中液体可流到位于第一和第二冷却线圈102、118底部的输入部分106。在这种结构的情况下，液态致冷剂通过冷却带122向上流动。这种配置有助于液态致冷剂所形成的任何蒸汽通过冷却带122的流动，因而阻止冷却带122中形成蒸汽阻塞。
在另一优选实施例中，低涡流致冷剂回路100包括至少一个隔热屏128。隔热屏128阻止环境大气对超导磁性装置(例如MRI)中超导磁体的辐射。最好，隔热屏128包括至少一个围绕在隔热屏128周围的隔热屏冷却线圈130。将某一温度的致冷剂通过输入部分131A引入隔热屏冷却线圈130，并在消除隔热屏128的热量后以较高温度通过输出部分131B输出。最好，和冷却带122中的冷却线圈102、118一样，隔热屏冷却线圈130包括至少一个电绝缘体132，以便抑制由隔热屏冷却线圈和涡流感应场源之间的电感耦合引起的感应磁场。
在另一实施例中，隔热屏128周围可以有多个隔热屏冷却线圈130。如果配有多个隔热屏冷却线圈130，也可配有多支管123，以便在多个隔热屏冷却线圈130之间分配致冷剂。
最好，低涡流致冷剂回路100包括低温冷却器134以及以热力方式与低温冷却器134连接的冷凝器136。更好的是，冷却线圈102、118上部的输出部分液体连接到冷凝器136。在此实施例中，可以将汽化的致冷剂导入冷凝器136中，液化，然后送到液体致冷剂储存器124中再次使用。
在本发明的另一实施例中，低温冷却器134具有两级135A、135B。在此实施例中，冷凝器136A以热力方式连接到低温冷却器134的第二级135B，而隔热屏冷却线圈130以热力方式连接到低温冷却器134的第一级135A。而且，在此实施例中，低涡流致冷剂回路100可以描述为包括两个支回路(线圈冷却支回路200和隔热屏支回路202)。线圈冷却支回路200包括液态致冷剂储存器124、冷却带122和冷凝器136。隔热屏支回路202包括隔热屏冷却线圈130、低温冷却器134的第一级135A。
在本实施例的优选方面，线圈冷却支回路200和隔热屏支回路202可以用第一压力安全阀138连接。如果线圈冷却支回路200中的压力超过预置压力，来自线圈冷却支回路200的致冷剂蒸汽可以释放到隔热屏支回路202中。这样，预置压力使低温冷却器的第二级135B的冷却容量与来自冷却带122的热负载平衡。
或者，可以包括第二压力安全阀140，以便将隔热屏支回路202排放到大气。如果隔热屏支回路202中的压力超过预置压力，那么，隔热屏支回路202中的致冷剂蒸汽就可排放到大气，以降低隔热屏支回路202中的压力，从而降低低涡流致冷剂回路100中的压力。最好，在工作时低涡流致冷剂回路100中的压力总是高于大气压力。这样，大气压力就不会由于空气从低涡流致冷剂回路100的外部进入的缘故而阻碍低涡流致冷剂回路100的工作。
此外，可以在低温冷却器的第一级135A和隔热屏冷却线圈的馈入部分之间包括单向阀142。单向阀142对隔热屏支回路202中蒸汽压力提供附加的控制。亦即，在冷却过程中和在冷却系统因停电或冷却系统中的机械故障而失效时，单向阀可确保冷的致冷剂向下流到隔热屏冷却线圈130中并从隔热屏128中去除热量。
为了对低涡流致冷剂回路100中的压力提供更进一步的控制，在本发明的另一实施例中，将加热器126置于致冷剂储存器124内。只要致冷剂储存器124内的压力降低到预置压力以下，加热器126就接通。这样，可以使低温冷却器134的冷却容量与来自冷却带122的热负载平衡。
图5示出包括低涡流致冷剂回路100的MRI系统300。MRI系统300包括设置在机壳312中的若干超导磁体302、隔热屏128、梯度线圈306、RF线圈308以及RF屏蔽310。机壳312包括患者用的中心孔304。在此实施例中，冷却带122位于超导磁体302的线圈的外表面上。而且，隔热屏线圈130位于两个隔热屏128的外表面上。
在此实施例中，冷却带122可以包括如图2B所示的具有简单半圆形状的冷却线圈102、118，或如图2A所示的蛇形线弯道112。而且，和要求机壳312中有致冷剂容器的先有技术的MRI系统不同，本发明的MRI系统300不需要内部致冷剂容器。在按照本发明的MRI系统中，液态致冷剂储存器124可以位于机壳312之外，通过管道进行连接(未示出)。
而且，如果停电或冷却系统中有机械故障，液态致冷剂储存器124中致冷剂的潜热可以用来提供ride through(从冷却机件失效到因温度升高到超过超导材料的临界温度而失去超导性的时限)。在ridethrough期间，低涡流致冷剂回路100中的压力升高，两个压力安全阀138和140都开启。从冷却带122蒸发出来的致冷剂流入隔热屏支回路，经过隔热屏冷却线圈130，排到大气。最好，如果低温冷却器124失效，那么液态致冷剂储存器124中的致冷剂为ride through提供至少4小时的潜在冷却。更好的是，液态致冷剂储存器124中的致冷剂为ride through提供至少12小时的潜在冷却.
此处提出的优选实施例是为了说明。但所述说明不应被认为是对本发明范围的限制。所以，本专业技术人员可以想到各种修改、改编和替代方案而不背离要求保护的发明概念的范围。

Claims (9)

1.一种用于超导磁体的低涡流致冷剂回路(100)，包括：
至少第一冷却线圈(102)，所述第一冷却线圈(102)包括导电材料，并包括至少一个电绝缘体(104)，即制造所述第一冷却线圈(102)时所述第一冷却线圈(102)的一部分用一种非导电材料制成，
其中，所述电绝缘体(104)设置成阻止由所述第一冷却线圈(102)与涡流感应场源的电感耦合在所述致冷剂回路(100)中引起的感应涡流环路。
2.如权利要求1所述的致冷剂回路(100)，还包括：
第二冷却线圈(118)，所述第二冷却线圈(118)包括导电材料，并包括至少第二电绝缘体(120)，即制造所述第二冷却线圈(118)时所述第二冷却线圈(118)的一部分用一种非导电材料制成，
其中，所述第二电绝缘体(120)设置成抑制由所述第二冷却线圈(118)与涡流感应场源的电感耦合引起的感应磁场，以及
其中，所述第一冷却线圈(102)和所述第二冷却线圈(118)均具有基本上半圆的部分(110)，并且所述第一冷却线圈(102)和所述第二冷却线圈(118)彼此相关地设置，以便形成基本上圆形的冷却带(122)。
3.如权利要求2所述的致冷剂回路(100)，还包括：
多个冷却带(122)和多支管(123)，其中，所述多支管(123)适合在所述多个冷却带(122)之间分配致冷剂。
4.一种冷却超导磁体(302)的方法，包括：
提供至少与第一冷却线圈(102)热接触的超导磁体(302)，所述第一冷却线圈(102)包括导电材料，并包括至少一个电绝缘体(104)，即制造所述第一冷却线圈(102)时所述第一冷却线圈(102)的一部分用一种非导电材料制成，其中所述电绝缘体(104)设置成阻止由所述第一冷却线圈(102)与涡流感应场源的电感耦合引起的感应涡流环路；以及
使致冷剂通过所述第一冷却线圈(102)。
5.如权利要求4所述的方法，还包括：
提供与所述超导磁体(302)热接触的第二冷却线圈(118)，所述第二冷却线圈(118)包括导电材料，并包括至少第二电绝缘体(120)，即制造所述第二冷却线圈(118)时所述第二冷却线圈(118)的一部分用一种非导电材料制成，
其中，所述第二电绝缘体(120)设置成抑制由所述第二冷却线圈(118)与涡流感应场源的电感耦合引起的感应磁场，以及
其中，所述第一冷却线圈(102)和所述第二冷却线圈(118)均具有基本上半圆的部分(110)，并且所述第一冷却线圈(102)和所述第二冷却线圈(118)彼此相关地设置，以便形成基本上圆形的冷却带(122)。
6.如权利要求5所述的方法，其中，使所述致冷剂通过包括将位于所述冷却带上方的致冷剂储存器(124)中的致冷剂馈入所述第一冷却线圈(102)和所述第二冷却线圈(118)，以及其中，所述第一冷却线圈(102)和所述第二冷却线圈(118)具有顶部(108)和底部(106)，且所述致冷剂馈入底部(106)并从顶部(108)退出。
7.如权利要求5所述的方法，其中，所述第一冷却线圈(102)和所述第二冷却线圈(118)具有形成蛇形线形状的多个弯道(112)。
8.一种磁共振成像系统(300)，包括：
超导磁体(302)；以及
低涡流致冷剂回路(100)，所述低涡流致冷剂回路(100)至少具有与所述超导磁体(302)热接触的第一冷却线圈(102)，
其中，所述第一冷却线圈(102)包括导电材料，并包括至少一个电绝缘体(104)，即制造所述第一冷却线圈(102)时所述第一冷却线圈(102)的一部分用一种非导电材料制成，以及
其中，所述电绝缘体(104)设置成阻止由所述第一冷却线圈(102)与涡流感应场源的电感耦合引起的感应磁场。
9.如权利要求8所述的磁共振成像系统(300)，其中，所述低涡流致冷剂回路(100)至少具有包括导电材料的第二冷却线圈(108)，并包括至少第二电绝缘体(120)，即制造所述第二冷却线圈(118)时所述第二冷却线圈(118)的一部分用一种非导电材料制成，以及其中，所述第二电绝缘体(120)设置成抑制由所述第一冷却线圈(102)及所述第二冷却线圈(118)与涡流感应场源的电感耦合引起的感应磁场。
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