CN206225101U - 一种用于超导磁体的预冷装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种用于超导磁体的预冷装置，与超导磁体热耦合，包括循环泵、第一类型制冷机和第二类型制冷机，所述超导磁体和所述循环泵之间设置有换热器，所述换热器和所述循环泵通过第一冷却管道连接，且所述换热器通过热耦合带与所述第一类型制冷机热耦合，所述第二类型制冷机和超导磁体通过第二冷却管道连接。本实用新型可有效降低超导磁体冷却过程中循环泵产生的热负荷对氦气冷却效果的影响。

Description

一种用于超导磁体的预冷装置

【技术领域】

本实用新型涉及磁共振系统的超导磁体预冷技术，具体涉及用于超导磁体预冷过程中的机械预冷装置。

【背景技术】

磁共振成像主要利用人体内所包含质子在磁场内发生的磁共振现象采集磁共振信号，再通过空间编码获取图像，供医生诊断的技术。由于其彻底摆脱了电离辐射对人体的伤害，可提供成像组织灵活多样的对比度信息，同时对软组织较高的分辨率等突出特点，目前已经成为广泛应用的临床诊断技术。

用于成像的主磁场主要是由铌、钛、铜等材料组成的超导线圈在超导温度下通电流而产生的。理想状态下，磁场一旦建立，只要维持超导线圈的超低温环境，强磁场就长期存在。而建立超导环境的过程首先需要将超导磁体的真空绝热层抽真空，然后将磁体预冷，直至液氦容器腔内温度接近4.2K，最后在磁体液氦容器中灌满液氦，使超导线圈浸泡在液氦中。传统的超导磁体预冷方法主要通过如下过程实现：利用液氮等消耗性的制冷剂，将超导磁体冷却至第一温度(约80K)；将一定量的液氦制冷剂，加入到超导磁体中，将超导磁体冷却到比第一温度低的预定温度(接近4.2K)。上述预冷过程不仅操作复杂，而且在80K-4.2K降温过程会有大量液氦蒸发，极大提高了超导磁体冷却的成本。另一方面，氦是一种稀缺战略资源，且氦资源的输出主要集中在北美和中东地区，随着氦资源的使用量逐年增大和储量逐年减少，近年来国际市场氦资源价格大幅飙升，经常出现供应紧张局面，一些发展中国家甚至经常出现断供，导致磁体成本逐年提高，且受制于氦输出国。由于氦气的战略意义，气量与价格等问题的逐渐凸显，传统预冷方法带来很大的经济损耗，对于规模化生产极为不利。

近年来，采用制冷机冷却的机械预冷方式作为一项新技术逐渐应用于超导磁体的冷却，其主要通过大型制冷机的冷头冷却氦气，然后冷却后的氦气流入磁体与磁体完成热交换，整个冷却过程由循环泵提供动力，以保证较大的流量供应。然而，循环泵在提供动力的同时也产生可观的热负荷(约100W-1000W)，极大的减少制冷机供给到磁体的冷量，从而导致磁体降温速度缓慢，甚至无法达到预定的超导温度。鉴于此，有必要减小超导磁体预冷过程中循环泵引入的热负荷。

【发明内容】

本实用新型所要解决的技术问题是减小超导磁体预冷过程中循环泵引入的热负荷。

为达到上述目的，本实用新型提出一种用于超导磁体的预冷装置，与超导磁体热耦合，包括循环泵、第一类型制冷机和第二类型制冷机，所述超导磁体和所述循环泵之间设置有换热器，所述换热器和所述循环泵通过第一冷却管道连接，且所述换热器通过热耦合带与所述第一类型制冷机热耦合，所述第二类型制冷机和超导磁体通过第二冷却管道连接。

可选地，所述第一类型制冷机、所述换热器分别设置有过渡板，且所述热耦合带的一端连接所述第一类型制冷机的过渡板，另一端连接所述换热器的过渡板。

可选地，所述热耦合带为柔性铜带，且所述柔性铜带通过数层铜片压制得到。

可选地，所述第一类型制冷机为GM制冷机，所述第二类型制冷机为斯特林制冷机，所述超导磁体通过所述第二冷却管道与所述斯特林制冷机的一级冷头热耦合或二级冷头热耦合。

可选地，所述过渡板为铜板，过渡板上设有数个装配孔，在装配孔位置采用软钎焊接的方式实现热耦合带的一端与第一类型制冷机连接，热耦合带另一端与换热器连接。

可选地，所述换热器内部并排设置有若干个铜棒，且所述铜棒沿所述第一冷却管道的径向延伸。

可选地，所述换热器的输出端口位置连接变径管。

可选地，所述超导磁体的两端设置第一旁通路，所述第一旁通路包括设置在所述超导磁体两端的第一低温阀、与所述超导磁体并列设置的第二低温阀。

可选地，还包括可与所述第二冷却管道连通的第二旁通路，所述第二旁通路的一端连接所述超导磁体，另一端连接所述循环泵。

可选地，所述循环泵为由多个氦循环泵并联设置的多级循环泵。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有如下有益效果：换热器通过热耦合带与GM制冷机连接，循环泵工作产生的热量可通过热耦合带传递到GM制冷机，有效减小循环泵产生的热负荷对氦气冷却的影响；GM制冷机和换热器都连接有过渡板，过渡板可作为转换器使用，方便热耦合带与GM制冷机和换热器的连接；换热器内部设置多个并排设置的铜棒，冷却介质可与铜棒充分接触，实现换热器与冷却介质之间充分换热。

【附图说明】

图1为本实用新型一实施例的用于超导磁体的预冷装置结构示意图；

图2为本实用新型一实施例的GM制冷机与换热器连接示意图；

图3为本实用新型一实施例的过渡板结构示意图；

图4为本实用新型一实施例的换热器结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本的具体实施方式做进一步详细的说明，但不应以此限制本的保护范围。

本实用新型的实施例提出一种用于超导磁体的预冷装置，与超导磁体热耦合，包括循环泵、第一类型制冷机和第二类型制冷机，所述超导磁体和所述循环泵之间设置有换热器，所述换热器和所述循环泵通过第一冷却管道连接，且所述换热器通过热耦合带与所述第一类型制冷机热耦合，所述第二类型制冷机和超导磁体通过第二冷却管道连接。第一类型制冷可以是GM制冷机或脉管制冷机，其中GM(Gifford-McMahon)制冷机为吉福德一麦克马洪循环制冷机。第二类型制冷可以是斯特林制冷，且斯特林制冷机包括一级冷头和二级冷头。

如图1为本实用新型一实施例的用于超导磁体的预冷装置结构示意图。冷却回路20中注入冷却介质，冷却介质可选择氦气等低温介质(图1中未示出，箭头方向表示冷却介质可能的流向)，且冷却介质在循环过程中对超导磁体10进行冷却。循环泵201为冷却回路20的驱动力，驱动冷却介质在冷却回路20中循环工作；换热器202可与外部制冷设备进行热耦合，以实现冷却回路20与外部制冷设备的热量交换。需要说明的是，循环泵201是整个预冷装置的心脏部件，通常情况下为增强超导磁体10内对流换热程度(速度)，要尽量增加循环泵201的流量及压头，这也意味着循环泵201工作过程中为冷却介质引入的热负荷增加。因此，在满足冷却介质流量的情况下，要尽量减少循环泵201热负荷的引入，这部分热负荷也是整个系统的主要热负荷，直接影响超导磁体的降温时间。本实用新型在超导磁体10与循环泵201之间设置换热器202，在靠近循环泵201的位置可设置第一类型制冷机30，换热器202可与第一类型制冷机30热耦合以抵消循环泵201工作产生的热负荷对冷却介质的热效应，从而在保证冷却效率的前提下，减小循环泵的热负荷。为提高冷却速度，还可设置与冷却回路20热耦合的第二类型制冷机40。

在此具体实施例中，超导磁体的预冷装置可与超导磁体10热耦合，包括第一冷却回路20、第一类型制冷机30以及第二类型制冷机40。示例性地，第一类型制冷机30为GM制冷机，第二类型制冷机40为斯特林制冷机。冷却回路包括循环泵201、换热器202以及冷却管道。冷却管道包括多个部分：连接超导磁体10和第一类型制冷机30的第一部分L1；可连通第一部分L1且与第二类型制冷机40的一级冷头401热耦合的第二部分L2；可连通第一部分L1且与第二类型制冷机40的二级冷头402热耦合的第三部分L3；连接循环泵201和第二类型制冷机40的第四部分L4，且第四部分L4可与第二部分L2或第三部分L3相连通；连接循环泵201和换热器202的第五部分L5；连接换热器202和超导磁体10的第六部分L6。冷却回路可包括并列设置的第一冷却支路和第二冷却支路，其中，第五部分L5称之为第一冷却管道，第二冷却管道可由L1或者L1的一部分与L2的结合组成。第一冷却支路可设置为(按照顺时针顺序)：第一部分L1、第三部分L3、第四部分L4、循环泵201、第五部分L5、换热器202、第六部分L6；第二冷却支路可设置为(按照顺时针顺序)：串联设置的第一部分L1、第二部分L2、第四部分L4、循环泵201、第五部分L5、换热器202、第六部分L6。

第一类型制冷机30可选择GM制冷机；第二类型制冷机40可选择体积小的斯特林制冷机，其配套简单、方便拆装和移动，也可满足单台磁体预冷的需求。通过上述设置，第一冷却支路主要通过第三部分L3与斯特林制冷机的一级冷头热耦合，第二冷却支路主要通过第二部分L2与斯特林制冷机的二级冷头热耦合。可选地GM制冷机可包括一台或串联设置多台，在循环泵101的出口位置，设置两台串联方式连接的GM制冷机。斯特林制冷机可包括一级冷头和二级冷头，且一级冷头或二级冷头都可对冷却介质进行冷却。在本实用新型另一实施例中，为了增加冷却介质的循环流量，还可并联设置(分布)多级循环泵，以更好地实现系统可维护性。

需要说明的是，超导磁体10通常为设置在线圈骨架上的超导线圈，超导线圈通常设置在密闭低温容器内部，第一冷却回路20可环绕超导磁体10或密闭低温容器设置。可选地，用于超导磁体的预冷装置和超导磁体10之间可采用低温传输线连接，且低温传输线的母头可尽量往超导磁体内部延伸。

在本实用新型又一实施例中，为方便不同超导磁体之间的切换，超导磁体的两端(连通接口位置处)设置第一旁通路，该第一旁通路包括设置在超导磁体两端的第一低温阀S1、与超导磁体并列设置的第二低温阀S2以及冷却管道的第七部分L7。通过上述设置，当该系统可适用于不同超导磁体的冷却：将第一低温阀S1置于打开状态，且将第二低温阀S2置于闭合状态，第七部分L7无冷却介质通过，预冷系统处于工作状态，对连接的超导磁体进行冷却；当超导磁体预冷完毕，将第一低温阀S1置于闭合状态，且将第二低温阀S2置于打开状态，冷却介质从第七部分L7通过，切断冷却介质与超导磁体的耦合，预冷装置处于待机状态。

此外，在超导磁体的预冷过程中，预冷时间是重要的考虑因素，而预冷时间通常与冷却介质的流量相关。而另一方面，通常情况下斯特林制冷机的管径较细，压损较大，调节冷却介质合适的流量对延长制冷机的使用寿命显得尤为重要。

为了提高超导磁体的预冷效率，本实用新型另一实施例中，可采用单通道低温传输线与斯特林制冷机的冷头连接，以方便拆卸。在冷却管道的第一部分L1设置第三低温阀门S3；设置与第二冷却管道连通的第二旁通路，第二旁通路的一端连接超导磁体10，第二旁通路的另一端连接循环泵201。

更具体地，冷却回路的第八部分L8可作为第二旁通路，且第八部分L8上设置第四低温阀门S4。通过调节第三低温阀S3和第四低温阀S4，依次经过循环泵和超导磁体的冷却介质一部分沿冷却管道的第一部分L1流经到制冷机冷头，另一部分沿冷却管道的第八部分L8完成循环。可选地，为了满足循环泵201中风扇的效率，通过调节第四低温阀S4，可分配流经斯特林冷头的冷却介质流量，从而在保证超导磁体内冷却介质循环流量的情况下提高斯特林制冷机的换热效率。通过上述设置可在保证冷却介质流量或系统压力的前提下，减小斯特林制冷机使用过程中的管径压力；较大流量的冷却介质提高了循环泵的使用效率，有效减小循环泵的热耗散；同时可有效增强超导磁体内的对流换热，提高超导磁体降温效率。需要说明的是，为了进一步增加斯特林制冷机中冷头的循环流量，可在斯特林制冷机基础上增加一台小型氦循环泵。

如图2为本实用新型一实施例换热器202与第一类型制冷机30通过连接示意图。第一类型制冷机30可选择GM制冷机，换热器202与第一类型制冷机30可通过热耦合带连接，示例性地，该连接过程包括：在磁共振系统的管路适当位置布置第一类型制冷机30以及换热器202；其次，在第一类型制冷机30的一端、换热器202的一端分别铣好装配面，并设置好如图3所示的安装孔501，利用与安装孔501相匹配的螺钉通过压接方式连接过渡板50(过渡板的形状可根据接触面确定)，其中，连接的两块过渡板50起到转换器的作用，可以使热耦合带601的安装角度不受换热器202、第一类型制冷机30的位置限制，过渡板50与第一类型制冷机30和换热器202的连接面要求高精度加工，压接时表面涂胶，并用螺钉拧紧；根据需要连接热耦合带601的数量，在保证安装方便的前提下，开设定位槽和如图3所示的装配孔502；在装配孔502位置采用软钎焊接的方式实现热耦合带601的一端与第一类型制冷机30连接，(热耦合带)另一端与换热器202连接。需要说明的是，热耦合带601与过渡板50之间使用钎焊的方式连接与采用压接方式相比，其产生的接触热阻可以减少约100倍；而每个热耦合带601可作为单独的连接件，根据安装位置可灵活调整大小和数量，达到优化导热距离的目的；此外，采用具有过渡作用的过渡板50可灵活选择热耦合带601连接的位置，方便安装，且增加热量传递效率。

如图3为本实用新型一实施例的过渡板结构示意图。过渡板50可选择导热性好的铜板，铜板表面开设有若干个定位孔501，且定位孔501的孔径(直径)略大于待装配螺钉的直径。开设的定位孔501的直径尺寸可大于装配螺钉的直径尺寸，所铣的槽也可大于软铜带的连接面，以便于在安装时可以进行微量调整。在将软铜带钎焊之前，使用螺钉固定铜板的位置，按照图2的方式进行预装。预装时，可以对安装位置进行微小的调整，减少铜带的扭转变形。在预装完成后，将铜板和软铜带整体取下来，然后整体钎焊，钎焊时，需要不断的补充钎料，然后同时拧紧螺钉，以确保良好的机械连接和热连接。钎焊完成后，将用于固定的螺钉拆卸掉，整体安装到第一类型制冷机30与换热器202之间。

在本实用新型另一实施例中，热耦合带601可采用柔性铜带以补偿第一类型制冷机30的冷头与换热器202之间的位置误差。柔性铜带可包含若干层，具体可由多层铜片在两端接头位置处压接而成。为减小柔性铜带的重量并缩短导热路径，在可操作范围内，可选长度较短的柔性铜带。需要说明的是，柔性铜带的长度可均匀设置，也可非均匀设置。可选地，在不同的位置选择不同长度的柔性铜带，以达到最优配置。

如图4为本实用新型一实施例的换热器结构示意图。该换热器202的一侧设置有过渡板50，热耦合带601可连接在过渡板50上，第一类型制冷机30通过热耦合带601提取换热器的热量，以实现冷却回路20与第一类型制冷机30之间的热量交换。换热器202的内部还设置有若干个铜棒602，且铜棒602与冷却回路20中的冷却介质(氦气)直接接触。更进一步地，若干个铜棒602可沿与冷却介质循环方向垂直的方向延伸，即沿冷却管道第五部分L5的径向方向延伸。在本具体实施例中，换热器202内部设置多组并列排布的铜棒602，且铜棒602的延伸方向与冷却介质循环方向垂直，这种叉排式结构有利于铜棒602与冷却介质之间充分换热。更进一步地，冷却回路20还包括变径管，该变径管具体可连接在换热器202的输出端口位置，以实现顺滑的过渡，减少流动阻力。

采用上述用于超导磁体的预冷装置对超导磁体冷却的过程包括：在所述第一冷却回路中加入冷却介质，利用循环泵驱动冷却介质在第一冷却管道中循环工作，且冷却介质在流经超导磁体时提取所述超导磁体的热量，利用第一类型制冷机、第二类型制冷机从冷却介质提取热量，且第一类型制冷机从冷却介质提取的热量抵消所述循环泵产生的热负荷。

上述超导磁体的冷却方法，可大幅提高预冷效率；减少预冷过程中氦气的挥发、有效节约液氮成本；同时，整个过程中均充入高纯氦气，不存在如传统冷却方法先通入液氮在通入液氦容易产生杂质气体的缺陷，减小了氮气等杂质气体残存对超导磁体造成的风险。

虽然本已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本，任何本领域技术人员，在不脱离本的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种用于超导磁体的预冷装置，与超导磁体热耦合，其特征在于：包括循环泵、第一类型制冷机和第二类型制冷机，所述超导磁体和所述循环泵之间设置有换热器，所述换热器和所述循环泵通过第一冷却管道连接，且所述换热器通过热耦合带与所述第一类型制冷机热耦合，所述第二类型制冷机和超导磁体通过第二冷却管道连接。

2.根据权利要求1所述的用于超导磁体的预冷装置，其特征在于，所述第一类型制冷机、所述换热器分别设置有过渡板，且所述热耦合带的一端连接所述第一类型制冷机的过渡板，另一端连接所述换热器的过渡板。

3.根据权利要求2所述的用于超导磁体的预冷装置，其特征在于，所述热耦合带为柔性铜带，且所述柔性铜带通过数层铜片压制得到。

4.根据权利要求3所述的用于超导磁体的预冷装置，其特征在于，所述第一类型制冷机为GM制冷机，所述第二类型制冷机为斯特林制冷机，所述超导磁体通过所述第二冷却管道与所述斯特林制冷机的一级冷头热耦合或二级冷头热耦合。

5.根据权利要求2所述的用于超导磁体的预冷装置，其特征在于，所述过渡板为铜板，过渡板上设有数个装配孔，在装配孔位置采用软钎焊接的方式实现热耦合带的一端与第一类型制冷机连接，热耦合带另一端与换热器连接。

6.根据权利要求1或2所述的用于超导磁体的预冷装置，其特征在于，所述换热器内部并排设置有若干个铜棒，且所述铜棒沿所述第一冷却管道的径向延伸。

7.根据权利要求6所述的用于超导磁体的预冷装置，其特征在于，所述换热器的输出端口位置连接变径管。

8.根据权利要求1所述的用于超导磁体的预冷装置，其特征在于，所述超导磁体的两端设置第一旁通路，所述第一旁通路包括设置在所述超导磁体两端的第一低温阀、与所述超导磁体并列设置的第二低温阀。

9.根据权利要求1所述的用于超导磁体的预冷装置，其特征在于，还包括可与所述第二冷却管道连通的第二旁通路，所述第二旁通路的一端连接所述超导磁体，另一端连接所述循环泵。

10.根据权利要求1或9所述的用于超导磁体的预冷装置，其特征在于，所述循环泵为由多个氦循环泵并联设置的多级循环泵。